Mit der Mission des Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) gelangte erstmals ein Laseraltimetersystem in einen erdgebundenen Orbit. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht anhand von drei verschiedenen Anwendungen das Potenzial dieser Altimeterdaten zur Überwachung des Antarktischen und des Grönländischen Eisschilds. Beide Schilde bilden ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem der Erde. In einem ersten Hauptabschnitt werden die ICESat-Altimeterdaten für das Gebiet des Lake Vostok, des größten Vertreters subglazialer Seen in der Antarktis, untersucht. Dieses Gebiet eignet sich durch die Höhenstabilität des über dem See liegenden Eisschilds insbesondere als Validierungsgebiet für Altimeterdaten. Diese werden hinsichtlich der zwischen den Lasern auftretenden Offsets umfassend analysiert. Die ermittelten Offsets variieren in einem Bereich zwischen -7.5 und +13.9 cm und erreichen damit die angestrebte Messgenauigkeit der Mission. Im Hinblick auf eine Bestimmung von zeitlich linearen Höhenänderungen der Eisschilde stellen sie den größten genauigkeits-limitierenden Faktor dar. Aus den um die Offsets korrigierten Altimeterdaten wird ein rasterförmiges Topographiemodell der Eisoberfläche erstellt. Dieses wird umfassend untersucht. Im Anschluss werden glaziologische Anwendungen vorgestellt, für welche das Topographiemodell eine zentrale Grundlage bildet. Unter anderem erfolgt in der Kombination mit Eisdicken- und Geoidinformationen der Nachweis, dass sich das Eis über dem See im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Im Zuge dieser Untersuchung wird aber auch deutlich, dass an einigen Stellen des Sees das Gleichgewicht verletzt wird. Mögliche Ursachen hierfür werden näher untersucht und eingehend diskutiert. Für den Grönländischen Eisschild erfolgt die Analyse der um die Laseroffsets korrigierten Altimeterdaten zur Ableitung zeitlich linearer Höhenänderungen. Die methodische Basis hierfür bildet eine Wiederholspuranalyse der Altimeterdaten. Zur Minimierung des Einflusses der lokalen Topographie und zur besseren Separation der saisonalen Höhenvariation werden die korrespondierenden Altimetermessungen entlang der Referenzspuren an ein drei-komponentiges mathematisches Modell durch Ausgleichung bestmöglich angepasst. Die für den ICESat-Missionszeitraum bestimmte mittlere Höhenrate des Eisschilds beträgt -13.0±0.5 cm/a. Die stärkste Höhenabnahme verzeichnet der Eisschild in den westlichen und südöstlichen küstennahen Randbereichen. Unter Verwendung der Eisdichte für die Volumen-Massen-Umrechnung entspricht dies einer Massenänderung von -209.5±35.6 Gt/a. Dies entspricht einem eustatischen Meeresspiegelanstieg von +0.6±0.1 mm/a. In einer dritten Anwendung werden die ICESat-Altimeterdaten über dem Amery-Schelfeises untersucht. Es wird eine Methodik vorgestellt, welche auf der Kreuzkorrelation von Höhenprofilen verschiedener Epochen beruht und zur Ableitung von Fließgeschwindigkeiten des Schelfeises dient. Der entwickelte Ansatz wird auf die ICESat-Referenzspur 49 angewendet. Sie verläuft entlang der zentralen Achse des Schelfeises. Im Bereich zwischen -71.6° und -70.1° Breite wächst die Fließgeschwindigkeit von +0.83±0.09 m/d auf +1.02±0.06 m/d an. Das Ergebnis steht im Einklang mit einem unabhängigen Geschwindigkeitsmodell, welches zur Validierung herangezogen wurde. / The Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) was the first Earth-orbiting laser altimeter mission in space. The following work is dedicated to the ICESat-altimetry data in order to demonstrate their full potential for the investigation of glaciological implications in polar regions. The primary science objective of the mission was to focus on the mass balances of the Greenland Ice Sheet and the Antarctic Ice Sheet. Both of them play a key role in the Earth's climate system. Firstly, the ICESat elevation profiles covering the Lake Vostok region are analysed in more detail. The Lake Vostok is the largest known subglacial lake in Antarctica to date. Due to a fast and strong degradation of the laser energy, the ICESat elevation measurements are affected by offsets. The estimated offsets between the laser operational periods vary between -7.5 und +13.9 cm. Therefore, they can't be neglected in the view of precise mass change determinations for ice sheets. In addition, a Digital Elevation Model (DEM) of the ice surface topography is generated on the basis of the adjusted elevation profiles. The DEM is analysed in more detail. Furthermore, the DEM forms the basis for the investigation of glaciological implications. In combination with an ice-thickness model and a regional geoid model the hydrostatic equilibrium condition is evaluated. It turns out, that the ice sheet covering the lake fulfils the hydrostatic equilibrium condition within ±1 m for large parts of the lake. Beside this, positive and negative deviations are found in the northern and southern part of the lake. Secondly, ice surface height changes and their temporal variations are inferred for the Greenland ice sheet. This investigation is based on a refined repeat-track analysis in order to exploit the full potential of ICESat's altimetry data. To reduce the influence of the local topography corresponding measurements along the track are fitted to a mathematical model, consisting of three components. For the entire ice sheet a mean surface height trend of -13.0±0.5 cm/yr is determined. The largest changes are identified at the coastal margins of the ice sheet. Using the ice surface height changes long-term volume- and mass-change rates are inferred. For this purpose the density of pure ice is used for the volume-mass-conversion. The overall long-term mass change rate amounts to -209.5±35.6 Gt/yr. This is equivalent to an eustatic sea level rise of +0.6±0.1 mm/yr. A third approach analyses ICESat elevation profiles over the Amery ice shelf. The method is based on a cross-correlation analysis of different ICESat repeat cycle in order to determine the ice flow velocity along the track. This method is applied to reference track 49. The investigation reveals that between 71.7° S and 70.1° S along the reference track, the ice-flow velocity increases from about +0.83±0.09 m/d to +1.02±0.06 m/d. These results are in general good agreement with velocities derived from an independent velocity field.

Estimating mass changes of ice sheets or of the global ocean from satellite gravimetry strongly depends on the correction for the glacial isostatic adjustment (GIA) signal. However, geophysical GIA models are different and incompatible with observations, particularly in Antarctica. Regional inversions have resolved GIA over Antarctica without ensuring global consistency, while global inversions have been mostly constrained by a priori GIA patterns. For the first time, we set up a global inversion to simultaneously estimate ice sheet mass changes and GIA, where Antarctic GIA is spatially resolved using a set of global GIA patterns. The patterns are related to deglaciation impulses localized along a grid over Antarctica. GIA associated with four regions outside Antarctica is parametrized by global GIA patterns induced by deglaciation histories. The observations we consider here are satellite gravimetry, satellite altimetry over Antarctica and Greenland, as well as modelled firn thickness changes. Firn thickness changes are also parametrized to account for systematic errors in their modelling. Results from simulation experiments using realistic signals and error covariances support the feasibility of the approach. For example, the spatial RMS error of the estimated Antarctic GIA effect, assuming a 10-year observation period, is 31% and 51%, of the RMS of two alternative global GIA models. The integrated Antarctic GIA error is 8% and 5%, respectively, of the integrated GIA signal of the two models. For these results realistic error covariances incorporated in the parameter estimation process are essential. If error correlations are neglected, the Antarctic GIA RMS error is more than twice as large.Highlights We present a globally consistent inversion approach to co-estimate glacial isostatic adjustment effects together with changes of the ice mass and firn air content in Greenland and Antarctica. The inversion method utilizes data sets from satellite gravimetry, satellite altimetry, regional climate modelling, and firn modelling together with the full error-covariance information of all input data. The simulation experiments show that the proposed GIA parametrization in Antarctica can resolve GIA effects unpredicted by geophysical modelling, despite realistic input-data limitations.

Die Gletscher Hochasiens beeinflussen durch ihr Schmelzwasser die Wasserverfügbarkeit eines der gefährdetsten ‚globalen Wassertürme‘. Des Weiteren stellen diese Gletscher und die Gletscherseen eine Gefahr durch Überschwemmungen, Lawinen und Erdrutsche dar. Die Sensitivität und Variabilität von Gletschermassenbilanzen in Hochasien werden in dieser Dissertation untersucht. Das Energie- und Massenbilanzmodell „COupled Snowpack and Ice surface energy and mass balance model in PYthon (COSIPY)“ ist dabei das Hauptwerkzeug. Neun verschiedene gegitterte Niederschlagsdatensätze wurden verglichen, um Aussagen über deren Anwendungsmöglichkeiten zu treffen. Es wurden Verfahren für die Vorverarbeitung von Reanalyse-Datensätzen entwickelt, um diese als klimatische Antriebsdaten für COSIPY zu verwenden. Dazu standen Daten von drei automatischen Wetterstationen an verschiedenen Gletschern zur Verfügung. Die Modellevaluation auf der Basis von Beobachtungsdaten bildete den Ausgangspunkt, um die klimatische Massenbilanz von 14 Gletschern in allen großen Gebirgszügen Hochasiens mit einem konsistenten Ansatz zu modellieren. Die räumlich aufgelösten klimatischen Massenbilanzen von 2000 bis 2018 wurden mithilfe geodätischer Massenbilanzen aus Fernerkundungsdaten kalibriert. Generell haben mehr südöstlich gelegene Gletscher höhere Massenumsätze und diese sind sensitiver gegenüber Schwankungen von Temperatur und Niederschlag. Alle Gletschermassenbilanzen sind am sensitivsten gegenüber Temperaturänderungen im Sommer und gegenüber Niederschlagsänderungen im Sommer oder Frühling. Die Resultate unterstreichen die Notwendigkeit zukünftiger Forschung zu räumlich aufgelösten Reaktionen von Gletschern auf Klimaantrieb und daraus resultierender Variabilität von Schmelzwasser unter Verwendung interdisziplinärer Methoden in Hochasien. Aufgrund der Heterogenität der Gletscher in Hochasien ist diese Forschung essentiell für die künftige Anpassung an Klimavariabilität und Klimawandel in der Region. / The meltwater from the glaciers of High Mountain Asia (HMA) impacts water availability of one of the most vulnerable ‘water towers’ of the globe. Furthermore, glaciers and glacial lakes represent a danger through floods, avalanches and landslides. The climatic sensitivity and variability of the glacier mass balances are investigated within this thesis. The COupled Snowpack and Ice surface energy and mass balance model in PYthon (COSIPY) is thereby the main tool. Nine gridded precipitation datasets have been compared to evaluate possible applications in HMA. The variability and timing of precipitation between May and September 2017 are consistent between the datasets, whereas great differences in precipitation amount were found. A preprocessing toolbox has been developed to use reanalysis datasets as climate forcing for COSIPY within the thesis. Measurements of three automatic weather stations at different glaciers were available for bias correction. Based on these model validations with observed data, climatic mass balances of 14 glaciers in all major mountain ranges in HMA were simulated using a consistent approach. The distributed climatic mass balances for the period from October 2000 to September 2018 were calibrated with remote-sensing-based geodetic mass balances. In general, glaciers with higher mass turnover are located in the southeast of HMA. They are more sensitive to perturbations of temperature and precipitation. All glaciers are most sensitive to monthly temperature perturbations in summer and to precipitation perturbations in summer, spring or spring and summer. The results emphasise the need for future research on spatially resolved responses of glaciers to climate forcing and resulting variability of meltwater using coherent interdisciplinary methods in HMA. Due to the heterogeneity of glaciers in HMA, such research is essential for adaptation to future climate variability and climate change in the region.