Estimates of glacier ice discharge to the ocean combining synthetic-aperture radar-derived velocities and ground-penetrating radar-derived ice thickness : Applications to Arctic Glaciers

Sánchez-Gámez, Pablo (2018). Estimates of glacier ice discharge to the ocean combining synthetic-aperture radar-derived velocities and ground-penetrating radar-derived ice thickness : Applications to Arctic Glaciers. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52968.

Description

Title: Estimates of glacier ice discharge to the ocean combining synthetic-aperture radar-derived velocities and ground-penetrating radar-derived ice thickness : Applications to Arctic Glaciers
Author/s:
  • Sánchez-Gámez, Pablo
Contributor/s:
  • Navarro Valero, Francisco José
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Matemática Aplicada
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La descarga de hielo glaciar al océano es una componente importante del balance de masas de glaciares y casquetes de hielo terminados en mar. En esta tesis desarrollamos metodologías para mejorar el cálculo de la descarga glaciar empleando velocidades del hielo determinadas empleando sensores remotos y espesores glaciares obtenidos empleando radar. Usando estas metodologías realizamos estimaciones actualizadas de descarga glaciar para el Ártico Canadiense y el casquete glaciar de la Academia de Ciencias situado en Sévernaya Zemliá, en el Ártico Ruso. En los capítulos 1 y 2 presentamos una visión de conjunto del estado del arte sobre las metodologías para el cálculo de campos de velocidad superficial empleando datos recogidos por sensores remotos, y una introducción al procesado de datos de Radar de Apertura Sintética (SAR). A continuación, los resultados fundamentales de la tesis se presentan en los capítulos 3, 4 y 5, y, finalmente, las conclusiones y las perspectivas de futuro se resumen en el capítulo 6. En el capítulo 3 se presenta una mejora del método de estimación de los desplazamientos empleando intensidades de la señal SAR para calcular la velocidad en la superficie de los glaciares. La idea fundamental es la optimización de la técnica para estimación de desplazamientos conocida como offset tracking omitiendo el empleo de los offsets en la dirección de desplazamiento del satélite, empleando en su lugar únicamente offsets en rango en las direcciones tanto ascendente como descendente del satélite. Con esto se logra mejora la resolución del campo de velocidades del glaciar, ya que la técnica de adquisición conocida como Observación del Terreno mediante Escaneos Progresivos (TOPS) del satélite Sentinel-1 proporciona una resolución asimétrica, de 5 metros en rango y de 20 metros en la dirección de desplazamiento. Simultáneamente, se evita el efecto ionosférico adverso que se manifiesta en los datos finas franjas de ruido perpendiculares a la dirección del azimut. Esta técnica se aplica en la tesis para calcular las velocidades superficiales de los casquetes glaciares situados en la Islas Ellesmere del Ártico Canadiense. Adicionalmente, se emplea la técnica de Interferometría Diferencial del Radar de Apertura Sintética (D-InSAR), mostrándose que con esta técnica se logran mejores resultados en zonas de poco movimiento, mientras que la metodología de seguimiento por offsets es más adecuada para zonas con grandes desplazamientos. De esta forma, ambas metodologías resultan ser complementarias, y el empleo de ambas para la estimación de las deformaciones en la superficie glaciar es mejor que el uso de una sola técnica. Se observan velocidades de hasta 1200 m año-1 para algunos de los glaciares más rápidos. Los glaciares terminados en tierra muestran velocidades típicas comprendidas entre 12 y 33 m año−1, aunque se observan picos de hasta 150 m año−1 en los estrechamientos de los valles de confinamiento. En el capítulo 4 se analizan las fuentes de error en la estimación de la descarga glaciar a través de puertas de flujo, distinguiendo el caso en el que se dispone de datos de espesores para secciones transversales del glaciar de aquél en el que únicamente se cuenta con datos de espesores a lo largo de la línea central del glaciar. Para este último caso, se analizan tres aproximaciones a la sección transversal del glaciar. Esta metodología se aplica a glaciares del Ártico Canadiense. Los resultados del análisis muestran que el campo de velocidades es la mayor fuente de error para glaciares de tamaños pequeño y mediano (descarga <100 Mt año−1) con bajas velocidades (<100 m año−1), mientras que para glaciares de gran tamaño (descarga > 100 Mt año−1) con altas velocidades (>100 m año−1) el error en el área de la sección transversal es el factor dominante. El posible engrosamiento/adelgazamiento del glaciar producido entre la observación de los espesores y las mediciones de velocidad debe ser tenido en cuenta, ya que implica errores sistemáticos de hasta el 8% en nuestro estudio. La aproximación parabólica de la sección transversal, que permite una estimación ajustada cuando la medición del espesor se encuentra desplazada del centro del glaciar, presenta los mejores resultados, con un pequeño sesgo y una desviación estándar admisible. Se observa un incremento en la descarga para los principales glaciares (Trinity y Wykeham) del campo de hielo Price of Wales entre 2015 y 2016, de un 5% y un 20%, respectivamente, seguido de un descenso en 2017, de un 10% y un 15%, respectivamente. El Glaciar Belcher, en el casquete de hielo Devon, mantiene descargas similares durante el período 2015-2017. Finalmente, en el capítulo 5, las citadas metodologías se aplican, junto con otras técnicas innovadoras, en la investigación de la dinámica y el balance de masas del casquete de hielo de la Academia de las Ciencias en el Ártico Ruso, analizando sus variaciones intra e interanuales en velocidad y descarga. También se analizan las contribuciones del balance de masa en superficie y de la ablación frontal al balance de masa total del casquete, y las contribuciones de la ablación en superficie y la ablación frontal a la ablación total. Con estos objetivos, se procesan, empleando la metodología de offset tracking, 54 pares de imágenes Sentinel-1 del casquete, tomadas entre noviembre de 2016 y noviembre de 2017. Las variaciones de velocidad estacionales suponen hasta un 10% (20% entre máximos) de la velocidad media anual observada. Las variaciones intraanuales de corto período tienen desviaciones promedio de hasta el 16% y máximas de hasta el 32% (32% y 64% entre máximos). Esto es indicativo de los errores que se cometerían extrapolando a todo el año los valores de descarga calculados usando un único par de imágenes. La descarga glaciar promedio para el período 2016-2017 es de 1.93 ± 0.12 Gt año−1. La diferencia con la estimación de 1.4 Gt año−1 para el período 2003-2009 se atribuye al comienzo del flujo en la cuenca glaciar sur. El balance de masa geodésico para el casquete en el período 2012-2016 es de -1.72 ± 0.67 Gt año−1 (-0.31 ± 0.12 m w.e. año−1) y se ha mantenido a este mismo nivel durante las últimas cuatro décadas. Por lo tanto, el balance de masas total está gobernado por las variaciones en descarga glaciar, cuyos cambios de largo período no parecen responder a cambios climáticos sino a las características intrínsecas del casquete. ----------ABSTRACT---------- Ice discharge to the ocean is an important component of the mass balance of tidewater glaciers and marine-terminating ice caps. In this thesis we develop methodologies to improve the ice discharge calculations from remotely-sensed glacier velocities and radar-retrieved ice-thickness data, and apply them to provide updated estimates of ice discharge for Canadian High Arctic glaciers and the Academy of Sciences Ice Cap in Severnaya Zemlya, Russian Arctic. Following an overview of the state-of-art methodologies to retrieve glacier surface velocity fields from remotely-sensed data, and presenting the basics of Synthetic Aperture Radar (SAR) data processing in chapters 1 and 2, the core results of this thesis are presented in chapters 3, 4 and 5, and finally the conclusions and outlook are summarized in Chapter 6. Focusing on the core of the thesis, we firstly provide an improvement of the intensity offset tracking methodology for estimating glacier surface velocities. We optimise the offset tracking technique by omitting the azimuth offsets, using instead only range offsets from ascending and descending passes. By doing so, we are able to improve the final resolution of the velocity product, as the Terrain Observation by Progressive Scans (TOPS) acquisition mode of the Sentinel-1 mission provides resolutions of 5 m in range and 20 m in azimuth. Simultaneously, we avoid the undesired ionospheric effect manifested in the data as azimuth streaks. We apply the developed technique to retrieve glacier-surface velocities from the southern Ellesmere Island ice caps, Canadian High Arctic. We additionally use Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (D-InSAR) techniques, and show that the latter shows its merits when applied to slow-moving areas, while offset tracking is more suitable for fast-moving areas. Both methods are thus complementary, and the use of both to determine glacier velocities is better than only using one or the other. We observe glacier surface velocities of up to 1200 m year−1 for the fastest tidewater glaciers. The land-terminating glaciers show typical velocities between 12 and 33 m year−1, though with peaks up to 150 m year−1 in narrowing zones of the confining valleys. Secondly, we analyse the various error sources in the estimation of ice discharge through flux gates, distinguishing the cases with ice-thickness data available for glacier cross-sections or only along the centreline. For the latter, we analyse the performance of three different U-shaped cross-sectional approaches. We apply this methodology to glaciers of the Canadian High Arctic. The velocity field is the main error source for small and medium-size glaciers (discharge <100 Mt a−1) with low velocities (<100 m a−1), while for large glaciers (discharge >100 Mt a−1) with high velocities (>100 m a−1) the error in cross-sectional area dominates. Thinning/thickening between ice thickness and velocity measurements should be considered, as it implies systematic errors up to 8% in our study. The U-shaped parabolic approach, which allows for an adjusted estimation when the ice-thickness measurement point is displaced from the glacier centreline, performs best, with small bias and admissible standard error. We observe an increase of ice discharge from the main glaciers (Trinity and Wykeham) of the Prince of Wales Icefield from 2015 to 2016, by 5% and 20%, respectively, followed by a decrease in 2017, by 10% and 15% respectively. Belcher Glacier, of the Devon Ice Cap, maintains similar discharges during 2015-2017. Thirdly, we apply the developed methodologies, together with other state-of-art techniques, to the investigation of the dynamics and mass balance of the Academy of Sciences Ice Cap in the Russian Arctic, analysing its seasonal and intra-annual, as well as inter-annual, variations of velocity and ice discharge. We also analyse the contributions to the total mass balance of the ice cap of surface mass balance and frontal ablation (approximated here by the calving determined as ice discharge though flux gates close to the calving fronts), and the partitioning of total ablation into surface ablation and frontal ablation. With these aims, we process, using feature tracking, 54 pairs of Sentinel-1 synthetic-aperture radar images of the Academy of Sciences Ice Cap, acquired from November 2016 to November 2017. Seasonal velocity variations up to 10% (20% peak-to-peak) of the yearly-averaged velocity are observed. Shorter-term intra-annual velocity variations have average deviations up to 16% and maximum up to 32% (32% and 64% peak-to-peak). This gives an indication of the errors incurred when extrapolating to the whole year discharge values determined from a single pair of SAR images. Average ice discharge for 2016-2017 was 1.93±0.12 Gt a−1. The difference from an estimate of _ 1.4 Gt a−1 for 2003-2009 is attributed to the initiation of ice stream flow in a southern basin. The total geodetic mass balance for the ice cap over 2012-2016 is −1.72±0.67 Gt a−1 (−0.31±0.12 m w.e. a−1). The climatic mass balance is not significantly different from zero, at 0.21±0.68 Gt a−1 (0.04±0.12 m w.e. a−1), and has remained at this level for the last four decades, so the total mass balance is governed by the variations in ice discharge, whose long-term changes do not appear to respond to environmental changes but to the intrinsic characteristics of the ice cap.

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Item ID: 52968
DC Identifier: http://oa.upm.es/52968/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:52968
DOI: 10.20868/UPM.thesis.52968
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 12 Nov 2018 08:14
Last Modified: 12 May 2019 22:30
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