Doctoral thesis

Measuring and modelling firn hydrology in the accumulation zone on the southwestern Greenland Ice Sheet

SPR

  • Fribourg (Switzerland), 2024

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Thèse: Université de Fribourg (Suisse), 2024

English French The Greenland Ice Sheet (GrIS), storing about one-tenth of the world’s freshwater in the form of snow and ice, has the potential to raise global sea levels by ∼7.4 metres. Since the early 1900s it has contributed 40 mm, or 15%, to global mean sea level rise, and its influence is increasing due to Arctic air temperatures rising faster than the global average. Projections for GrIS-induced sea level rise by 2100 range from 4 to 27 cm, emphasising the need for accurate projections of the ice sheet’s response to further climate change. More than 30% of the GrIS mass loss results from increased meltwater generation and surface runoff. Below the runoff limit, meltwater contributes to mass loss, while above it, melt percolates into porous firn and refreezes in place. This percolation does not directly influence mass loss, but has a strong effect on firn structure, leading to the formation of thick, impermeable near-surface ice layers (ice slabs) that force lateral meltwater runoff. Projections of future GrIS runoff loss vary, depending on model representation of hydrological processes in the accumulation zone. Regional climate models, used to predict future evolution of GrIS mass loss, notably simplify meltwater flow due to the inherent complexity and computational intensity of detailed hydrological simulations. Despite progress in remote sensing, the availability of in situ data, and hence our ability to calibrate GrIS hydrological models, remains limited. This thesis presents observations and a lateral meltwater flow model that enhance our understanding of hydrological processes around the runoff limit. First, we describe in situ measurements of vertical percolation and lateral meltwater flow around 1750 m a.s.l. in the accumulation zone of the SW Greenland ice sheet. The hydraulic conductivity of icy firn in pre-melt conditions measured using a portable lysimeter ranges from 0.17 to 12.8 m h-1, with flow predominantly occurring through preferential flow fingers. Lateral flow velocities of meltwater on top of a near-surface ice slab, measured at the peak of the melt season by salt dilution and tracer experiments, range from 1.3 to 15.1 m h-1. Based on these lateral flow velocities, the distance between the slush limit (the highest elevation where liquid water is visible on the ice sheet surface) and the runoff limit is in the order of roughly 4 km in regions where near-surface ice slabs are present. Using the field measurements as input parameters, a quasi-2D physics-based model was developed which is presented in this thesis. The model simulates lateral meltwater flow and the formation of superimposed ice onto ice slabs using an Eulerian Darcy flow scheme, predicting meltwater emergence at the surface. The water table height and the slush limit depend on the melt season’s evolution, and on changes in ice slab gradient. Lower amounts of melt at higher altitudes can delay meltwater appearance compared to when substantial melting occurs at high elevations, but even in colder melt seasons the slush limit may manifest due to brief yet intense melt events. Results highlight the efficiency of lateral flow as runoff mechanism, with lateral outflow exceeding the locally generated meltwater as much as more than 30 times at specific locations. Superimposed ice formation can retain up to 40% of the available meltwater, thereby delaying visible runoff. Expansion of the model to incorporate snowpack warming and surface meltwater runoff throughout the melt season, mimicking river-like surface discharge, shows that snowpack warming delays the onset of melt, and highlights the model’s sensitivity to both meltwater quantity and timing. In high melt years, surface runoff evacuates up to 99% of meltwater due to insufficient refreezing rates and by melt completely removing the annual snowpack. In low melt years, superimposed ice formation retains up to 33% of the water, but surface runoff exceeds retention in all simulated years except one. Model comparisons with MODIS satellite imagery demonstrate the model’s ability to produce realistic estimates of the visible runoff limit, particularly in gradually evolving melt seasons. Despite variable performance when melt occurs in short, intense melt pulses, the model proves to be a valuable tool with potential for expansion to quantify future increases in meltwater runoff associated with changes in firn properties. It not only addresses existing gaps in understanding, but also lays the groundwork for refining future projections of the GrIS’s surface mass balance. Persisting challenges involve quantifying meltwater fluxes in the accumulation zone to improve surface mass balance projections and integrating recent insights on ice slab formation into models for accurate assessments of their impact on surface runoff. The findings in this thesis highlight the importance of describing lateral meltwater flow using an integrated approach, combining field observations and modelling, with support from remote sensing data, to advance our understanding of the Greenland Ice Sheet’s future mass changes within the context of projected climate change. L’Inlandsis du Groenland, qui stocke environ un dixième de l’eau douce de la planète sous forme de neige et glace, est susceptible de faire monter le niveau global des océans de 7,4 mètres. Depuis le début du XXe siècle, l’inlandsis a contribué 40 mm, soit 15%, à l’augmentation du niveau moyen de la mer à l’échelle mondiale, et son influence s’accroît à cause de la hausse des températures de l’air dans Arctique plus rapide que la moyenne mondiale. Les projections d’élévation du niveau de la mer d’ici 2100, dues à l’Inlandsis du Groenland seul, varient de 4 cm à 27 cm, ce qui souligne la nécessité de projections précises sur la réaction de l’Inlandsis du Groenland aux changements climatiques à venir. Plus de 30% de la perte de masse de l’Inlandsis du Groenland résulte de l’augmentation de la production d’eau de fonte et de son ruissellement de surface. En aval de la limite de ruissellement, ces eaux contribuent à la perte de masse, tandis qu’en amont, elles s’infiltrent dans le névé poreux et regèlent sur place. Cette percolation n’influe pas directement sur la perte de masse, mais elle a un effet important sur la structure du névé, entraînant la formation d’épaisses couches de glace imperméables (dalles de glace) qui forcent l’écoulement latéral de l’eau de fonte. Les projections de la perte de masse future de l’Inlandsis du Groenland en raison du ruissellement de surface, à partir des modèles climatiques régionaux, varient en fonction de la représentation des processus hydrologiques dans la zone d’accumulation. La représentation de ces processus dans les modèles climatiques régionaux simplifie généralement l’écoulement des eaux de fonte, principalement en raison de l’intensité de calcul computa- tionnel. Malgré les progrès de la télédétection, la disponibilité de données sur le terrain, et donc notre capacité de calibrage des modèles hydrologiques de l’Inlandsis du Groenland, reste limitée. Cette thèse présente des observations ainsi qu’un modèle d’écoulement latéral des eaux de fonte, qui améliorent notre compréhension des processus hydrologiques autour de la limite de ruissellement. D’abord, nous décrivons des mesures in situ de la percolation verticale dans le névé et de l’écoulement latéral à la surface des dalles de glace de l’eau de fonte autour de 1750 m.s.m. dans la zone d’accumulation du sud-ouest de l’Inlandsis du Groenland. La conductivité hydraulique du névé verglacé, évaluée dans des conditions précédant la fonte à l’aide d’un lysimètre portable, varie de 0,17 à 12,8 m h-1, avec un flux principalement concentré dans des voies d’écoulement préférentielles. Les vitesses d’écoulement latéral de l’eau de fonte sur une dalle de glace, mesurées au pic de la saison de fonte par des expériences de traçage utilisant des colorants et des sels, vont de 1,3 à 15,1 m h-1. En considérant de telles vitesses d’écoulement latéral, la distance entre l’altitude la plus élevée où l’eau liquide est visible à la surface de l’Inlandsis et la limite du ruissellement est d’environ 4 km dans les régions où des dalles de glace sont présentes. Avec l’aide de ces mesures hydrologiques, un modèle hydrologique a été développé, et est présenté dans cette thèse. Ce modèle simule l’écoulement latéral des eaux de fonte et la formation de glace superposée sur les dalles de glace selon un schéma Darcy eulérien, prédisant l’émergence des eaux de fonte à la surface. Le sommet de la nappe d’eau et la limite d’eau liquide visible à la surface dépendent de l’évolution de la saison de fonte et des variations de pente en surface de la dalle de glace. Moins de fonte en altitude peut retarder l’apparition de l’eau de fonte par rapport aux étés plus chauds, mais même pendant les saisons de fonte plus tempérées, l’eau peut se manifester à la surface en raison d’événements de fonte brefs mais intenses. Les résultats soulignent l’efficacité de l’écoulement latéral comme mécanisme de ruissellement, l’écoulement latéral dépassant jusqu’à 30 fois l’eau de fonte générée localement. La formation de glace superposée peut retenir jusqu’à 40% de l’eau de fonte disponible, retardant ainsi le ruissellement visible. L’extension du modèle pour intégrer le réchauffement du manteau neigeux et le ruissellement des eaux de fonte de surface au cours de la saison de fonte, imitant l’évacuation d’eau par des rivières, montre que le réchauffement du manteau neigeux retarde le début de la fonte, mettant en évidence la sensibilité du modèle à la quantité et à la temporalité de l’apport d’eau de fonte. Lors des années de forte fonte, le ruissellement de surface évacue jusqu’à 99% de l’eau de font due à des taux de recongélation insuffisants et la fonte complète du manteau neigeux annuel. La formation de glace superposée retient jusqu’à 33% de l’eau au cours des années de faibles fontes, mais le ruissellement de surface dépasse quand même la rétention dans tous les ans modélisés sauf un. Malgré des performances variables lorsque la fonte se produit en impulsions courtes et intenses, le modèle s’avère un outil précieux pour quantifier l’augmentation du ruissellement des eaux de fonte liée aux futurs changements dans le névé. Il contribue ainsi à combler certaines lacunes et jette les bases pour améliorer des projections futures du bilan de masse de la surface de l’Inlandsis du Groenland. Certains défis persistent, concernant la quantification des flux d’eau de fonte dans la zone d’accumulation afin d’améliorer les projections du bilan de masse de surface et l’intégration des connaissances récentes sur la formation des dalles de glace dans les modèles pour permettre des évaluations précises de leur impact sur le ruissellement de surface. Les résultats de cette thèse mettent en évidence l’importance de décrire le flux latéral d’eau de fonte à l’aide d’une approche globale, qui combine les observations sur le terrain et la modélisation, avec le support de données de télédétection afin de faire progresser notre compréhension des futurs changements de masse de l’Inlandsis du Groenland dans le contexte des changement climatiques en cours, et futurs.
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Faculté des sciences et de médecine
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Classification
Earth sciences
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