Repeat track analysis is one tool that can be used to derive parameters describing elevation changes from elevation data collected from a satellite with a near-repeat groundtrack. While initially developed to study ocean topography, it was then applied to ice sheet data. This study expands upon that previous research by testing the method’s ability to estimate parameters using different amounts of data, different grid sizes and types, and different elevation models containing different parameters to be estimated. In all cases, ICESat-derived elevations were used as input data, as ICESat has a near-repeat groundtrack with extensive coverage of the Greenland and Antarctica ice sheets. Results were compared using the differences between modeled and ICESat-derived elevations, correlation of estimated parameters to known physical features, and differences between known and estimated parameter values for simulated elevation data. It was found that there should be data from at least as many distinct time periods (or, in the case of ICESat, laser campaigns) as parameters being estimated, grids centered on and aligned with the reference groundtrack should be used, and that elevation models containing a constant elevation change rate, slopes, an initial elevation at the grid center, and annual terms should be used. Crossover analysis is a different method to determine elevation change rate with elevation data and serves as an independent verification of the repeat track analysis method. It was found that the hdot values determined from crossover and repeat track analyses agreed to within 5 cm/yr in most areas of the ice sheets, with differences greater than 40 cm/yr along the coasts. While repeat track analysis provides greater coverage than crossover analysis, it is uncertain which method provides the most accurate results. / text

This research investigated patterns in elevation change in newly built wetlands in the Atchafalaya delta, and newly restored wetlands in the Sacramento-San Joaquin River delta. RSETs were used to measure small changes in elevation, and soil cores were processed to examine mineral and organic contributions. Elevation change was highly variable, responding to influences from water level, river discharge, storms and vegetation. Mineral matter consistently added more to the marsh soil through volumetric and gravimetric contributions. Organic contributions were not significantly different across sites, suggesting the type of emergent vegetation at a site may not be the most important factor. Sites with the lowest elevations had the highest rates of positive elevation change. Higher elevation sites were more exposed and had negative rates of elevation change. The findings suggest ideal sites for marsh building are in areas that receive sediment input, are protected from high-energy events, and can support emergent vegetation.

This report compares surface elevation change and volume change esti- mates from three methods: repeat track (RT), crossover (CX), and overlapping footprints (OFP). These three methods use different approaches to group- ing elevation point measurements taken at different measurement epochs and estimating elevation change. Volume changes are calculated from elevation changes in the same manner for all three methods but differences in sampling resolution between the methods affect volume change estimates in different ways. The recently reprocessed Release 633 version of elevation measurements from the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS), flown on the Ice, Cloud and land Elevation Satellite (ICESat), are used in this analysis. Both elevation changes and volume changes are compared for both the Greenland Ice Sheet (GrIS) and the Antarctic Ice Sheet (AIS). Additionally, uncertainties in the estimates for each method are quantified and compared. Results are separated by drainage systems and by above/below 2000 m surface elevation for the GrIS. For the AIS, results are aggregated to the East, West, and Penin- vi sula regions. Volume change estimates agree well for the three methods for the GrIS, with estimates of -227.75 ± 2.12 km³/yr, -249.30 ± 3.42 km³/yr, and -218.24 ± 7.39 km³/yr for the RT, CX, and OFP methods, respectively. These estimates are similar to those published from previous studies. For the AIS, however, larger discrepancies are found in the estimates. This stems primarily from a large discrepancy in the volume change estimate of the East AIS, where the RT, CX, and OFP methods estimate volume changes of 33.39 ± 1.42 km³/yr, 46.42 ± 5.46 km³/yr, and -2.72 ± 2.12 km³/yr, respectively. It's not entirely clear why this large discrepancy exists in this particular region, and elevation change estimates for a few particular drainage systems in this region are examined. Previously published volume changes for the AIS also show a large scatter and more work must be done to reconcile the various estimates. Finally, the volume change uncertainties reported do not completely account for the discrepancies in most regions. Additional analysis must be done to completely quantify all error sources. / text

Die Veränderungen des Antarktischen Eisschildes (AIS) haben einen entscheidenden Einfluss auf den Meeresspiegel. Für Prädiktionen zukünftiger Szenarien des globalen Klimawandels ist das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse und damit die Beobachtung gegenwärtiger Veränderungen unabdingbar. Mit Hilfe von Satellitenaltimetrie lässt sich die Massenbilanz des AIS großflächig, hochaufgelöst und kontinuierlich ermitteln. Da viele Prozesse jedoch auf sehr langen Zeitskalen ablaufen, ist es das Ziel dieser Arbeit, durch Validierung, Kalibrierung und Kombination der Messungen verschiedener Altimetermissionen die Zeitreihen der Beobachtungen maximal zu verlängern. Nur so lassen sich interannuale Variationen vom Langzeittrend trennen, was entscheidend für das Verständnis der Prozesse der Oberflächenmassenbilanz und der Eisdynamik ist. Die Ausgangsdaten dieser Arbeit bilden altimetrische Höhenmessungen des AIS. Zur Analyse ihres Genauigkeitspotenzials und um Kalibrierfehler aufzudecken, werden diese Messungen mit unabhängigen In-situ-Daten validiert. In dieser Arbeit wurde hierfür ein umfangreicher Datensatz von kinematischen GNSS-Profilen verwendet, welche zwischen 2001 und 2015 beobachtet wurden und mit Profillängen von bis zu 1700 km das gesamte topografische Spektrum des Eisschildes abdecken. Neben der anspruchsvollen differenziellen Auswertung der GNSS-Profile mit Basislinienlängen von über 1000 km erfordert auch die Reduktion der Höhe der Antenne auf die Schneeoberfläche aufgrund des Einsinkens der Zugmaschinen in die oberen Firnschichten besondere Berücksichtigung. Anhand dieser Daten wurden Radaraltimetermessungen in unterschiedlichen Prozessierungsvarianten verglichen, um den Einfluss der Wahl der Auswerteansätze zu quantifizieren. Die Genauigkeit der Radaraltimetrie von Eisschilden wird dominiert durch das Retracking zur Ableitung der exakten Signallaufzeit und durch die Methode der Korrektion topografischer Einflüsse. Die Validierung zeigt, dass durch einen schwellwertbasierten Retracker und die Relokation der Messung zum satellitennächsten Punkt die höchste Genauigkeit erreicht wird. Optimierte Varianten dieser Ansätze wurden zur konsistenten Reprozessierung aller Radarmessungen verwendet, wodurch nicht nur ein einheitlicher Datensatz geschaffen, sondern auch die Genauigkeit der meisten Messungen um etwa 50% verbessert wurde. Auch die Laseraltimetermessungen von ICESat wurden anhand der GNSS-Profile kalibriert. Hier wurden Laserkampagnenbias bestimmt und korrigiert, welche andernfalls abgeleitete Höhenänderungsraten um etwa 1,2±0,3 cm/a verfälscht hätten. Zur gemeinsamen Auswertung der Altimetermissionen Seasat, Geosat, ERS-1, ERS-2, Envisat, ICESat und CryoSat-2 wurde der Ansatz der Wiederholspuranalyse verwendet und noch erweitert, um spezifische Charakteristika unterschiedlicher Missionen entsprechend berücksichtigen zu können. Die hieraus abgeleiteten Zeitreihen beinhalten noch die Kalibrierbias der jeweiligen Messungen, welche im Anschluss unter Beachtung von Aspekten technikspezifischer Abtastung des Geländes und zeitlicher Distanz verschiedener Missionen schrittweise bestimmt und korrigiert werden. Das Ergebnis dieser kombinierten Auswertung bilden monatlich aufgelöste Zeitreihen von Höhendifferenzen gegenüber einer Referenzepoche auf einem Gitter von 10x10 km. Die Validierung mit kinematischen GNSS-Profilen, wie auch mit flugzeuggestützten Lasermessungen, bestätigt die beobachteten Höhenänderungen der kombinierten Zeitreihen und zeigt, dass auch die abgeleiteten Fehlermaße realistische Abschätzungen der Unsicherheit darstellen. Nach Korrektion der Höhenänderungen um Ausgleichsbewegungen der festen Erde und der Umrechnung in eine Massenänderung lässt sich aus diesen Beobachtungen die Massenbilanz verschiedener Regionen des Antarktischen Eisschildes ableiten. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass der beobachtete Teil des AIS nördlich von 81,5° südlicher Breite im Schnitt 85±16 Gt/a zwischen 1992 und 2017 an Masse verloren hat. Die Zeitreihen zeigen, dass diese Rate sich vor etwa 10 Jahren nochmals deutlich beschleunigte, so dass der Massenverlust zwischen 2010 und 2017 137±25 Gt/a betrug. Die Unterteilung in verschiedene Teilregionen des Eisschildes zeigt, dass diese Verluste nahezu vollständig der Westantarktis und der Antarktischen Halbinsel zuzuschreiben sind, während sich in der Ostantarktis Regionen mit Massenverlusten und mit Massenzuwächsen gegenseitig ausgleichen. Aus der Analyse der altimetrischen Beobachtungen der küstennahen Regionen der Ostantarktis, welche bis 1978 zurückreichen, geht hervor, dass der Trend über 25 Jahre sich auch vor 1992 in ähnlicher Weise fortsetzen lässt, so dass hier tatsächlich von einem Langzeittrend gesprochen werden kann. Allerdings wird dieser Trend oftmals durch interannuale Variationen überlagert, was sich aus den monatlichen Zeitreihen gut ablesen lässt und entscheidend für die Interpretation ist. Ein Vergleich mit Massenzeitreihen aus gravimetrischen Beobachtungen und Modellierungen der Oberflächenmassenbilanz zeigt eine hohe Konsistenz der Ergebnisse unterschiedlicher Beobachtungsverfahren, birgt jedoch auch Hinweise, wo Annahmen über die zugrunde liegenden Prozesse zu hinterfragen sind. Somit liefert dieser Vergleich einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Prozesse der Eismassenbilanz des AIS. Die Grundlage der vorliegenden kumulativen Dissertation bilden zwei wissenschaftliche Publikationen. Die erste Publikation befasst sich mit der Validierung und Kalibrierung unterschiedlicher Altimeterprodukte mit In-situ-Messungen und beinhaltet in diesem Zusammenhang auch Details zur Auswertung der kinematischen GNSS-Profile, welche die Grundlage dieser Untersuchungen bilden. Die zweite Publikation baut auf den Ergebnissen der vorherigen Studie auf, beschreibt die Reprozessierung und die Kombination der Daten verschiedener Altimetermissionen und analysiert die Ergebnisse dieser Multimissionszeitreihen Antarktischer Eishöhenänderungen. Insgesamt soll diese Arbeit einen Beitrag zum verbesserten Verständnis der Veränderungen des AIS im Zuge des globalen Klimawandels liefern. Darüber hinaus zeigt sie auch weiteres Potenzial für zukünftige Arbeiten auf.:Zusammenfassung Abstract 1. Einführung 1.1. Die polaren Eisschilde 1.2. Satellitengestützte Beobachtungsverfahren 2. Satellitenaltimetrie 2.1. Messprinzip 2.2. Komponenten der Oberflächenhöhenbestimmung 2.2.1. Orbitbestimmung 2.2.2. Distanzmessung 2.3. Missionen 2.4. Satellitenaltimetrie über Eisschilden 2.4.1. Analyse des Rückkehrsignals 2.4.2. Topografiekorrektion 2.4.3. Interferometrischer SAR-Modus 2.4.4. Bias bei Eisaltimetrie 3. Bestimmung von zeitlichen Variationen der Eisoberflächenhöhe 3.1. Methoden zur Bestimmung von Höhenänderungen 3.2. Kombination unterschiedlicher Missionen 4. Validierung 4.1. Messunsicherheiten und Arten der Validierung 4.2. Absolute Validierung mit kinematischen GNSS-Profilen 4.3. Validierung der Bestimmung von Höhenänderungen 5. Geophysikalische Interpretation 5.1. Von Höhenänderungen zur Eismassenbilanz 5.2. Vergleich unterschiedlicher Beobachtungsverfahren 6. Publikationen PI. Validierung von Satellitenaltimetrie mittels kinematischem GNSS PII. Multimissions-Satellitenaltimetrie über vier Jahrzehnte 7. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis / Changes of the Antarctic Ice Sheet (AIS) have a significant impact on sea level. To predict future scenarios of global climate change, it is essential to understand the contributing processes and, therefor, to observe current changes. Large scale, high resolution and continuous mass balances of the AIS can be obtained with the help of satellite altimetry. As many processes here act over very long temporal scales, the goal of this work is to validate, calibrate and combine the measurements of different altimetry missions in order to obtain time series which are as long as possible. Only such long-term observations allow to separate interannual variations from the long-term trend, which is crucial to understand the processes of surface mass balance and ice dynamics. Altimetric observations of elevation of the AIS are the basic data used in this work. In order to analyze their accuracy and precision, these measurements are validated using independent in situ observations. Here, an extensive set of kinematic GNSS-profiles was utilized for this purpose. These profiles were observed between 2001 and 2015 and, with lengths of up to 1700 km, they cover the whole spectrum of ice sheet topography. To obtain high precision surface elevation profiles, not only the demanding differential GNSS-processing with baseline lengths of more than 1000 km needs to be treated very carefully, also the reduction of the antenna height measurement to the snow surface requires special attention as the heavy vehicles sink into the upper firn layers in some regions. With the help of this data set, radar altimetry measurements in different processing versions are compared in order to quantify the influence of the choice of methods to derive the surface elevation. The uncertainty of a radar altimetry measurement of an ice sheet is dominated by the method of retracking, which is used to defined the exact signal travel time, and the methodology to correct for topographic effects. The validation shows that a threshold based retracker and the method of relocating the measurement to the point of closest approach provides the highest accuracy and precision. All radar altimetry measurements have been consistently reprocessed using optimized versions of these approaches. This provided a uniform data basis for their combination and, at the same time, improved the accuracy of these measurements by about 50%. Also the laser measurements of ICESat were calibrated using these profiles. This helped to correct for the laser campaign biases, which, otherwise, would distort any inferred surface elevation rate by 1.2±0.3 cm/yr. The joint processing of the missions Seasat, Geosat, ERS-1, ERS-2, Envisat, ICESat and CryoSat-2 was performed using the repeat altimetry method. Here, several extensions of this approach were developed to cope with the characteristics of the different missions. The derived time series still contained calibration biases, which were determined and corrected for in the following stepwise approach, taking into consideration aspects as the topography sampling of different techniques and the temporal sequence of the missions. The result of this combination are monthly time series of elevation changes with respect to a reference epoch, gridded on a 10x10 km raster. The validation with kinematic GNSS-profiles, as well as with airborne laser measurements, confirms the elevation changes from the multi-mission time series and proves that also the uncertainty estimates of these results are realistic. The mass balance of different regions of the Antarctic Ice Sheet was obtained by correcting the surface elevation changes for changes of the underlying solid earth and transforming the results into mass. The obtained data shows that the observed part of the AIS north of 81.5° southern latitude lost an average amount of mass of 85±16 Gt/yr between 1992 and 2017. The time series reveal that this rate accelerated about 10 years ago, leading to a rate of 137±25 Gt/yr between 2010 and 2017. Individual time series of different parts of the ice sheet show that these losses originate almost completely from the West Antarctic Ice Sheet and the Antarctic Peninsula. In contrast for East Antarctica, regions with negative and positive mass balances compensate each other almost entirely. In coastal East Antarctica, where the altimetric observations range back until 1978, the results show that the rate over 25 years continues very similarly also before 1992, which proves that the rates, observed here, can be considered as long-term rates. However, the monthly time series also reveal, that this trend is superimposed by interannual variations, which is crucial for the interpretation of these elevation changes. A comparison with mass time series from gravimetric observations and models of surface mass balance demonstrates the high consistency of the results. On the other hand, this comparison also reveals some discrepancies, indicating where the assumptions about the underlying processes need further improvements. Hence, this comparison provides new insights for the understanding of the processes contributing to the mass balance of the AIS. This dissertation is based on two scientific publications. The first paper describes the validation and calibration of different products of altimetry using in situ data. Therefore, it also contains details towards the processing of kinematic GNSS-profiles which form the basis of this investigation. Based on these results, the second paper describes the reprocessing and the combination of different altimetry missions and analyzes the results of these multi-mission time series of Antarctic surface elevation changes. In conclusion, this work aims to contribute to a better understanding of the changes of the AIS under a changing climate. Furthermore, it also points out potential aspects for further improvements.:Zusammenfassung Abstract 1. Einführung 1.1. Die polaren Eisschilde 1.2. Satellitengestützte Beobachtungsverfahren 2. Satellitenaltimetrie 2.1. Messprinzip 2.2. Komponenten der Oberflächenhöhenbestimmung 2.2.1. Orbitbestimmung 2.2.2. Distanzmessung 2.3. Missionen 2.4. Satellitenaltimetrie über Eisschilden 2.4.1. Analyse des Rückkehrsignals 2.4.2. Topografiekorrektion 2.4.3. Interferometrischer SAR-Modus 2.4.4. Bias bei Eisaltimetrie 3. Bestimmung von zeitlichen Variationen der Eisoberflächenhöhe 3.1. Methoden zur Bestimmung von Höhenänderungen 3.2. Kombination unterschiedlicher Missionen 4. Validierung 4.1. Messunsicherheiten und Arten der Validierung 4.2. Absolute Validierung mit kinematischen GNSS-Profilen 4.3. Validierung der Bestimmung von Höhenänderungen 5. Geophysikalische Interpretation 5.1. Von Höhenänderungen zur Eismassenbilanz 5.2. Vergleich unterschiedlicher Beobachtungsverfahren 6. Publikationen PI. Validierung von Satellitenaltimetrie mittels kinematischem GNSS PII. Multimissions-Satellitenaltimetrie über vier Jahrzehnte 7. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

An increase in the number of debris-covered glaciers and expansion of debris cover across many glaciers has been documented in many of the world’s major glacierised mountain ranges over the last 100 years. Debris cover has a profound impact on glacier mass balance with thick layers insulating the underlying ice and dramatically reducing ablation, while thin or patchy cover accelerates ablation through albedo reduction. Few debris-covered glaciers have been studied in comparison with ‘clean’ glaciers and their response to climatic change is uncertain. Remote sensing, integrated with field data, offers a powerful but as yet unrealised tool for studying and monitoring changes in debris-covered glaciers. Hence, this thesis focuses on two key aims: i) to test the utility of visible/near infrared satellite sensors, such as TERRA ASTER, for studying debris-covered glaciers; ii) to develop techniques to fully exploit the capability of these satellite sensors to extract useful information, and monitor changes over time. Research was focused on four interrelated studies at the Miage Glacier, in the Italian Alps. First, a new method of extracting debris-thickness patterns from ASTER thermal-band imagery was developed, based on a physical energy-balance model for a debris surface. The method was found to be more accurate than previous empirical approaches, when compared with field thickness measurements, and has the potential advantage of transferability to other sites. The high spatial variability of 2 m air temperature, which does not conform to a standard lapse rate, presents a difficulty for this approach and was identified as an important area for future research. Secondly, ASTER and Landsat TM data are used to map debris-cover extent and its change over time using several different methods. A number of problems were encountered in mapping debris extent including cloud cover and snow confusion, spatial resolution, and identifying the boundary between continuous and sporadic debris. Analysis of two images in late summer 1990 and 2004 revealed only a small up glacier increase in debris cover has occurred, confirming other work’s conclusions that the debris cover on Miage Glacier increased to its present extent prior to the 1990s. A third area of research used ASTER DEMs to monitor surface elevation changes of the Miage Glacier over time to update previous studies. Surface velocities on the glacier tongue were also calculated between 2004-2005 using feature-tracking of ASTER orthorectified visible band imagery and ASTER DEMs. However, ASTER DEMs were found to be rather poor for both applications due to large elevation errors in topographically rough parts of the glacier, which prevented a full analysis and comparison of results to previous surface elevation and velocity studies. Finally, the lithological units of the debris cover were mapped, based on the spectral differences of different rock types in the debris layer, providing information both on the location and concentration of different rock types on the surface. Therefore, the identification in the variation in emissivity throughout the glacier surface can be identified, which in turn has an impact upon calculated surface temperatures and ablation respectively. Overall, this research presents a significant contribution to understanding the impact of a debris layer on an alpine glacier, which is an area of key interest and current focus of many present glaciological studies. Since future glacial monitoring will increasingly have to consider supraglacial debris cover as a common occurrence, due to climate warming impacts of glacial retreat and permafrost melting. This contribution is achieved through the successful application of methods which utilise ASTER data to estimate debris thickness and debris extent, and the lithological mapping of debris cover. Therefore, the potential for incorporating these remote sensing techniques for debris-covered glaciers into current global glacier monitoring programs has been highlighted. However the utility of ASTER derived DEMs for surface elevation change analysis and surface velocity estimations in a study site of steep and varied terrain has been identified as questionable, due to issues of ASTER DEM accuracy in these regions.

Sediment accretion and elevation change in tidal forests, and the corresponding ability of these wetlands to keep pace with sea-level rise (SLR), represent data gaps in our understanding of wetland sustainability. Surface Elevation Tables and marker horizons were installed in three mature tidal forests and a restored tidal marsh, allowing us to measure elevation change, accretion, and subsidence. Additionally, we measured predictor variables to test for their significance in explaining accretion and elevation change rates. Mean accretion at our sites was 11.67 +/- 3.01 mm yr-1 and mean elevation change was -20.22 +/- 8.10 mm yr-1, suggesting subsidence occurring beneath the sites. Processes contributing to accretion and elevation change at our sites may be driven by hydrologic patterns. Comparing our elevation trends with SLR trends suggests that our study sites may not keep pace with SLR. However, we may be observing short-term oscillations that do not indicate true long-term trends.

No description available.

Résumé : Le contexte récent d’accélération de la fonte des glaciers et calottes glaciaires (GCG) de l’archipel arctique canadien, jumelé aux difficultés de suivi des GCG de cette région, rendent essentiels le développement et l’utilisation de nouvelles approches innovatrices de suivi. Le potentiel de la stéréo radargrammétrie (SRG) RADARSAT-2 est ici caractérisé pour l’extraction d’élévations et le calcul de changements d’élévation et de bilans de masse (historiques et récents) sur les calottes glaciaires Barnes et Penny (Nunavut, Canada). Par la méthode semi-automatisée de recherche de corrélation à partir de couples stéréoscopiques RADARSAT-2 de 2013 (mode wide ultra-fin; résolution spatiale de 3 m; taille d’image de 50 km x 50 km), une précision verticale de ~7 m (LE68) est mesurée sur la terre ferme, et cette valeur de précision est possiblement légèrement supérieure sur la calotte Barnes, étant donné la variabilité de profondeur de pénétration. Par captage 3D, une précision altimétrique de ~3-4 m (LE68) est mesurée par différents photo-interprètes à partir de couples RADARSAT de 2012 en zone d’ablation de la calotte Penny. Sur la calotte Barnes, les changements d’élévation mesurés par rapport aux premiers modèles numériques de terrain disponibles permettent de mesurer un bilan de masse spécifique historique (1960-2013) de -0,49 ± 0,20 m w.e./année, pour un bilan de masse total de -2,9 Gt/année. Entre 2005 et 2013, le bilan de masse spécifique de cette calotte augmente significativement à -1,20 ± 0,86 m w.e./année, pour un bilan de masse total de -7 Gt/année. En zone d’ablation de la calotte Penny, un changement d’élévation annuel moyen de -0,59 m/année est mesuré entre 1958 et 2012. Parallèlement, plusieurs aspects méthodologiques et techniques sont discutés et analysés. Des profondeurs de pénétration nulles (bande C) sont mesurées à partir des images acquises sur la calotte Barnes à la toute fin de la saison d’ablation (fin septembre/début octobre), alors que cette profondeur augmente à ~2,5-3 m pour des images acquises à la fin octobre/début novembre (période de gel). Nos résultats suggèrent aussi que le modèle de fonction rationnelle, lorsqu’utilisé avec des images RADARSAT-2 en mode wide ultra-fin, permet d’obtenir des précisions plus constantes que le modèle hybride de Toutin. De par son indépendance des conditions météorologiques, son utilisation possible sans point de contrôle et sa simplicité de traitement, la SRG RADARSAT-2 s’avère donc être une excellente alternative aux technologies actuelles pour le suivi de GCG situés dans des régions affectées par des contraintes opérationnelles importantes. / Abstract : Given the recent melt acceleration of the Canadian arctic archipelago’s ice caps and the monitoring difficulties of this remote region, the development of new innovative monitoring tools has become essential. Here, the potential of the RADARSAT-2 stereo radargrammetry (SRG) is characterized for elevations extraction, as well as for elevation changes/mass balances calculations (historical and recent) on Barnes and Penny ice caps (Nunavut, Canada). Using the semi-automatic approach of correlation search from RADARSAT-2 stereoscopic couples of 2013 (wide ultra-fine mode; spatial resolution of 3 m; coverage of 50 km x 50 km), a vertical precision of ~7 m (LE68) is measured on ice-free terrain and this precision is possibly slighty worse on the ice cap because of the penetration depth’s variability. On the other hand, the 3D vision extraction approach reveals an altimetric precision of ~3-4 m (LE68) on the ablation area of the Penny Ice Cap. On the Barnes Ice Cap, elevation changes calculated relative to the oldest digital elevation models available allows to calculate an historical specific mass balance (1960-2013) of -0,49 ± 0,20 m w.e./year, resulting in a total annual mass balance of -2,9 Gt/year. Between 2005 and 2013, the specific mass balance of this ice cap increases to -1,20 ± 0,86 m w.e./year, which equals to a total annual mass balance f -7 Gt/year. On Penny Ice Cap’s ablation area, an average elevation change of -0,59 m/year is measured between 1958 and 2012. As also suggested in the literature, the recent melt acceleration is highly linked to warmer summer temperatures. Methodological and technical aspects are also presented and analyzed. No penetration depth (C band) is perceived on elevations derived from late ablation season images (late September/beginning of October), while a penetration of ~2,5-3 m is measured from images acquired in late October/beginning of November (freeze period). Our results also suggest the superiority and better consistency of the rational function model for geometrical correction of wide ultra-fine mode RADARSAT-2 images, compared to the hybrid Toutin’s model. Because of its all-weather functionality, its possible use without any ground control point and the simplicity and facility of its treatment, the RADARSAT-2 SRG represents a really good technology for glacier monitoring in regions affected by serious operational constraints.

Die Anpassung von Küstenniederungen, Seemarschen und Inseln an klimatische Veränderungen und einen steigenden Meeresspiegel ist eine der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Im Gegensatz zu eingedeichten Küstenmarschen und Inseln besitzen tidebeeinflusste Seemarschen ein natürliches Anpassungspotential an sich verändernde hydrologische Rahmenbedingungen. Überflutungsabhängige Sedimenteinträge führen zu einem Anwachsen der Marschoberfläche und kompensieren somit einen Anstieg des Meeresspiegels. Die 10 verbliebenen nordfriesischen Halligen (Schleswig-Holstein, Deutschland) (Kapitel 1) sind bewohnte Inselmarschen, welche aufgrund ihrer anthropogenen Überprägung von naturbelassenen Seemarschen unterschieden werden müssen. Diese umfasst z.B. den Bau von flachen Sommerdeichen und Sielanlagen. Inwiefern sich diese Veränderungen auf die Sedimentdynamik der Marschen auswirken, ist bislang unzureichend belegt, was eine fundierte Diskussion bezüglich zukünftiger Entwicklungsperspektiven der Halligmarschen verhindert. Die vorliegende Arbeit ist dazu angelegt, diese Wissenslücke zu schließen. Sie untersucht das vertikale Marschwachstum exemplarisch auf den Halligen Hooge, Langeneß und Nordstrandischmoor und beurteilt deren Anpassungsvermögen an einen steigenden Meeresspiegel. Darüber hinaus werden zukünftige Entwicklungsperspektiven diskutiert. Um Faktoren und Prozesse, welche maßgeblich die Sedimentdynamik der Halligen beeinflussen, messbar zu machen, musstengeeignete Methoden entwickelt und angewendet werden. Zur Berechnung jährlicher Überflutungshäufigkeiten wurden Pegelschwellenwerte für Überflutungsereignisse auf Basis von digitalen Geländemodellen (DGMs) und d-GPS (differential global positioning system) Messungen errechnet und auf die verfügbaren, regionalen Pegeldaten angewendet (Kapitel 2). Sedimentfallen, bestehend aus LDPE (low density polyethylene) Flaschen (1 Liter) und Kunstrasenmatten (20 x 30 cm), bilden die Grundlage einer dreijährigen (November 2010 – März 2013) Feld- und Laborstudie zur zeitlichen und räumlichen Erfassung der sturmflutabhängigen Sedimentdeposition (Kapitel 3). Durch die Verwendung regionaler bodenphysikalischer Parameter (Lagerungsdichte und Gehalt an organischer Bodensubstanz) können Depositionsraten in eine vertikale Wachstumskomponente transformiert werden. Dazu werden Ergebnisse einer Rammkernsondierung genutzt, welche 12 Sedimentkerne mit einer Länge von maximal 100 cm umfasst. Die Sedimentbohrkerne sind weiterhin die Grundlage für eine 137Cs- und 210Pb-Datierung. Die Kombination beider Datensätze (Kapitel 4) ermöglicht einen schlüssigen Vergleich der Marschentwicklung seit dem Jahr 1915 mit regionalen Pegeldaten und Projektionen des zukünftigen Meeresspiegelanstiegs. Die Analyse der verfügbaren Pegeldaten (Kapitel 2) zeigt eine hohe Variabilität der jährlichen Überflutungshäufigkeiten. Das zehnjährige Mittel eintretender Ereignisse beträgt 2 Überflutungen auf Hooge, 9 – 10 Überflutungen auf Langeneß und 15 Überflutungen auf Nordstrandischmoor. Aufgrund der künstlichen Überhöhung der Marschkante durch Sommerdeiche mit + 1.54 m ü. mittlerem Tidehochwasser (MThw) auf Hooge und + 0.98 m ü. MThw auf Langeneß werden die betreffenden Halligen lediglich bei selten eintretenden Sturmflutereignissen überflutet. Die Höhe des wasser- und sedimentundurchlässigen Steinpflasters auf Nordstrandischmoor beträgt lediglich + 0.7 m ü. MThw. Die methodischen Untersuchungen bezüglich der Nutzung von Sedimentfallen (Kapitel 3) zeigen, dass beide Typen von Sedimentfallen vergleichbare Ergebnisse liefern. Oberhalb einer Depositionsrate von ~ 2.0 kg/m2 sinkt das Rückhaltevermögen der Kunstrasenmatte im Vergleich zur LDPE Flasche deutlich ab. Die parallele Nutzung beider Fallentypen, insbesondere wenn die Depositionsraten den Schwellenwert (~ 2.0 kg/m2) nicht überschreiten, erlaubt: (1) Die Überprüfung, ob beide Datensätze konsistent sind. (2) Die Identifizierung von Ausreißern. (3) Eine Abschätzung, ob Sediment auf oder in der Sedimentfalle nach der Überflutung remobilisiert wird. Um die Sedimentdeposition in eine vertikale Wachstumsrate zu übersetzen, muss die mittlere Bodendichte als auch der Gehalt an organischer Bodensubstanz des Marschbodens berücksichtigt werden. Die Bohrkernuntersuchungen zeigen, dass diese bodenphysikalischen Parameter auf den unterschiedlichen Halligen stark variieren. Marschen, die häufig überflutet werden lagern weniger organisches Material im Oberboden ein als selten überflutete Marschen. Niedrige Gehalte an leichten organischen Materialien geringer Dichte resultieren wiederum in einer höheren Lagerungsdichte des Marschbodens (Hooge 0.64 g/cm3, Langeneß 0.67 g/cm3, Nordstrandischmoor 0.83 g/cm3). Autochthones organisches Material (welches primär von der Halligvegetation stammt) trägt mit einem Anteil von 9.0 ± 1.4 % (Hooge) bis 21.4 ± 6.6 % (Nordstrandischmoor) zum Marschwachstum bei. Die Ergebnisse der Sedimentfallenuntersuchungen als auch der Datierungen zeigen deutlich ein Ungleichgewicht zwischen Marschwachstum und Meeresspiegelanstieg seit Beginn des 20. Jahrhunderts. Die langjährigen Wachstumsraten, basierend auf der 210Pb-Datierung, liegen mit 1.0 ± 0.3 mm/a auf Hooge, 1.2 ± 0.3 mm/a auf Langeneß und 2.6 ± 0.9 mm/a auf Nordstrandischmoor deutlich unterhalb des MThw-Anstiegs von 5.0 ± 0.3 mm/a (1951 – 2011, Wyk auf Föhr). Projektionen des Meeresspiegelanstiegs bis zum Jahr 2100 (Berechnet durch das fwu, Siegen) weisen darauf hin, dass extreme Wasserstände (höchste, jährliche Tidehochwasserstände, HThw, 6.6 ± 3.8 mm/a) deutlich schneller ansteigen werden als das MThw oder der mittlere Meeresspiegel (2.6 ± 0.4 mm/a). Aufgrund dieser Beobachtungen ist von einem zukünftigen Anstieg des Gefährdungspotentials für die Halligen auszugehen, wenn es nicht gelingt, ein sedimentologisches Gelichgewicht zwischen Meeresspiegel und Marschwachstum herzu stellen. Der Anstieg der Wellenhöhe und Periode, aufgrund von steigender Wassertiefe und einer geringeren Wellentransmissionsrate an den Sommerdeichen, resultiert in einer steigenden hydrodynamischen Belastung der Warften und der Marschoberfläche. Das sedimentäre Ungleichgewicht, besonders auf Hooge und Langeneß, kann eindeutig auf das hydrologische Management der Halligen zurückgeführt werden. Aus sedimentologischer Sicht sind die beiden Hauptkritikpunkte (1) die geringe Anzahl an Überflutungen aufgrund der Deichanlagen und (2) der eingeschränkte Transport suspendierter Feststoffe über die Binnenpriele. Letzteres resultiert aus der Blockade der Binnenpriele durch Sielanlagen und führt zu einer Abnahme der Sedimentdeposition mit zunehmender Entfernung zur Uferlinie. Um dem Ungleichgewicht zwischen Marschwachstum und Meeresspiegelanstieg entgegenzuwirken, ist es dringend erforderlich, neue Managementstrategien für die Halligen zu entwickeln (Kapitel 6), welche sedimentologische/geomorphologische Aspekte sowie die speziellen Bedürfnisse der Halligbevölkerung gleichermaßen berücksichtigen. Letztere beinhalten die Minimierung ökonomischer Schäden wie etwa Einschränkungen der landwirtschaftlichen Nutzung oder des Tourismus. Mögliche Szenarien können ein Abflachen der bestehenden Deiche oder deren Rückbau und Erneuerung durch wasser- und sedimentdurchlässige Rauhstreifen (z.B. Elastocoast®, BASF) beinhalten. Weiterhin erscheint die Reaktivierung der blockierten Binnenpriele eine plausible Maßnahme zu sein. Erste Freilandexperimente auf Hallig Langeneß (Kapitel 5) belegen einen erhöhten Sedimenttransport in die Binnenmarsch aufgrund geöffneter Sielanlagen in Verbindung mit Windstau (Thw-Ereignisse über Springtideniveau). Ob die generelle Umsetzung derartiger Maßnahmen möglich ist, ist in erster Linie davon abhängig, ob die Halligbevölkerung derartigen Veränderungen ihrer Umwelt aufgeschlossen gegenübersteht und diese lokalpolitisch getragen werden. Auf jeden Fall ist ein Umdenken dahingehend erforderlich, die halligtypischen Überflutungen (Land-Unter) nicht ausschließlich als Bedrohung zu verstehen. Sie sind ein natürliches Phänomen, welches notwendig ist, um das Gleichgewicht zwischen Meeresspiegelanstieg und Sedimentdeposition aufrechtzuerhalten.