Zurich Open Repository and Archive University of Zurich Main Library Strickhofstrasse 39 CH-8057 Zurich www.zora.uzh.ch Year: 2013 Modeling ice thickness distribution and glacier bed topography from sparse input data to assess future glacier changes Linsbauer, Andreas Posted at the Zurich Open Repository and Archive, University of Zurich ZORA URL: https://doi.org/10.5167/uzh-88998 Dissertation Published Version Originally published at: Linsbauer, Andreas. Modeling ice thickness distribution and glacier bed topography from sparse input data to assess future glacier changes. 2013, University of Zurich, Faculty of Science. ▼♦❞❡❧✐♥❣ ■❝❡ ❚❤✐❝❦♥❡ ❉✐✐❜✉✐♦♥ ❛♥❞ ●❧❛❝✐❡ ❇❡❞ ❚♦♣♦❣❛♣❤② ❢♦♠ ❙♣❛❡ ■♥♣✉ ❉❛❛ ♦ ❆❡ ❋✉✉❡ ●❧❛❝✐❡ ❈❤❛♥❣❡ Dissertation zur Erlangung der naturwissenschaftlichen Doktorwürde (Dr. sc. nat.) vorgelegt der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Zürich von ❆♥❞❡❛ ▲✐♥❜❛✉❡ von Erschmatt VS ♦♠♦✐♦♥❦♦♠✐❡❡ Prof. Dr. Wilfried Haeberli (Vorsitz) Dr. Frank Paul (Leitung der Dissertation) Prof. Dr. Martin Hoelzle Zürich 2013 Summary Glaciers are considered to be both extremely sensitive and reliable terrestrial indicators of climate change. Over the last 150 years the general retreat of glaciers is consistent world-wide. Due to their proximity to melting conditions, glaciers are especially sensi- tive to small changes in climatic conditions, causing the observed, often kilometer-long glacier retreat and extensive volume loss that is well visible and even physically under- standable to everybody. Considering scenarios of future climate change, glaciers will further continue to retreat and lose mass with increasing temperatures. The observed shrinkage and even disappearance of glaciers in high-mountain regions can have strong environmental impacts at local, regional and even continental scales. In this regard, changes in seasonal water supply, potentially hazardous situations due to formation of new lakes or hydropower production are important aspects for the people living in the Alps and downstream of glaciers. To be able to answer important questions by the public, policymakers, hydropower companies and others, knowledge about the state and future evolution of the glaciers in the Alps is a prerequisite. Information about ice thickness distribution and bed topography is of central impor- tance in this regard. However, related data is very scarce and can be obtained by (a) geophysical measurements with a subsequent spatial inter- and extrapolation or by (b) modeling. For the latter several approaches with different complexity have been devel- oped and applied, but none provide ice thickness distributions and bed topographies over an entire mountain range from a single model run. With the model GlabTop (Glacier bed Topography) this gap can be closed: using only three input data sets (a DEM, glacier outlines and a set of glacier branch lines) the ice thickness distribution and hence bed topographies of a large glacier sample can be derived within one model run. Ice thick- ness is derived from an ice dynamical approach, relating glacier thickness to its surface slope and a glacier specific mean basal shear stress. The modeled ice thickness distribution is applied in order to (a) estimate total glacier volume, (b) to analyze characteristics of the modeled glacier bed topography, (c) to de- tect overdeepenings in the glacier beds, and (d) to model future glacier evolution. The results of these applications can be summarized as follows. ■ ■■ The total ice volume for all Swiss glaciers is estimated to be 75±22 km3 for 1973 and 65±20 km3 in 1999 with an uncertainty range of ±30%. Ice thickness values are un- equally distributed; about 60% (800 km2) of glacierized area is less than 50 m thick, whereas about a quarter of the volume is related to an area of about 5% (60 km2), with ice thickness values exceeding 200 m. Most of the ice is stored in the largest glaciers and often found in their comparably flat glacier tongues. As a consequence, the elevations of the glacier beds are comparably low and furthermore, weakly inclined, indicating that large glaciers have only limited possibilities to retreat to higher elevations dur- ing shrinkage. The geomorphometric analysis revealed 500–600 overdeepenings with a total area of 50–60 km2. If they fill up with water, they are highly relevant for hydro- power-production, hazard investigations, and tourism. A variety of methods exist to model future glacier evolution. Although the details of these approaches are different, all models foresee a strong (to almost complete) loss of glaciers in the European Alps by the end of the 21st century. In this thesis, three regional- scale approaches to model future glacier evolution are compared, confirming the above trends in glacier loss, and additionally revealing that the uncertainties in the climate scenarios cause the largest spread (about 40%) in the total area loss compared to other uncertainties (ice thickness, albedo change, etc.). If all involved uncertainties are considered, the results produce a comprehensive over- view of the current conditions and characteristics, as well as the potential future evolu- tion of the Swiss glaciers. Zusammenfassung Gletscher werden allgemein als sehr sensitive aber auch zuverlässige terrestrische In- dikatoren für den Klimawandel betrachtet. Der generelle Gletscherrückgang während der letzten 150 Jahre ist demzufolge ein weltweites Phänomen. Aufgrund ihrer Nähe zu Schmelzbedingungen, reagieren Gletscher äusserst empfindlich auf bereits kleine klimatische Veränderungen. In der Folge kommt es zu Gletscherrückzug im Kilometer- bereich und massiven Volumenverlust. Diese Änderungen sind auch für Laien sichtbar und in ihren physikalischen Prinzipien verständlich. Angesichts zukünftiger Klima- änderungs Szenarien mit steigenden Temperaturen, werden sich die Gletscher weiter zurückziehen und an Masse verlieren. Der beobachtete Gletscherschwund in Gebirgsregionen hat schon jetzt Auswirkungen auf die Umwelt, sowohl auf lokaler und regionaler als auch auf kontinentaler Skala (Meeresspiegleanstieg). Die saisonalen Veränderungen in der Wasserversorgung, po- tenziell gefährliche Situationen durch neue Seen oder die Energieproduktion aus Was- serkraft sind schon jetzt sichtbare Auswirkungen für die Bevölkerung in den Alpen. Um diesbezügliche Fragen der Öffentlichkeit, von Politikern, von Wasserkraft- und an- deren Unternehmen beantworten zu können, ist das Wissen über den Zustand und die Entwicklung der Gletscher in den Alpen eine wichtige Voraussetzung. Von zentraler Bedeutung ist hier die Kenntnis der Eisdickenverteilung bzw. der Glet- scher Betttopographie. Allerdings sind darüber nur spärlich Informationen vorhanden. Letztere können durch (a) geophysikalische Messungen, mit anschliessender räumli- cher Inter-und Extrapolation der Messungen, oder durch (b) Modellierung gewonnen werden. Für letzteres wurden bereits verschiedene Ansätze unterschiedlicher Kom- plexität entwickelt und angewandt. Das hier beschriebene Modell GlabTop (Glacier bed Topography) schliesst dabei eine Lücke. Basierend auf nur drei Eingabe-Datensätzen (DHM, Gletscherumrisse und Fliesslinien) ermittelt es in einem einzigen Modelllauf, die Eisdickenverteilungen und Betttopographien aller Gletscher einer Region. Die Eis- dicke wird dabei aus einem eisdynamischen Ansatz abgeleitet, welcher die Neigung der Oberfläche und eine mittlere basale Schubspannung für jeden Gletscher verwendet. ■■■ ■❱ Die modellierte Eisdickenverteilung wird verwendet um (a) das gesamte Gletschervol- umen zu schätzen, (b) die Eigenschaften der modellierten Betttopographien zu analy- sieren, (c) Übertiefungen in den Gletscherbetten zu detektieren, und (d) die zukünftige Entwicklung der Gletscher zu modellieren. Die Ergebnisse können wie folgt zusam- mengefasst werden: Das totale Eisvolumen aller Schweizer Gletscher ist 75±22 km3 für 1973 und 65±20 km3 für 1999 mit einem Unsicherheitsbereich von ±30%. Die Eisdickenwerte sind sehr un- gleich verteilt; etwa 60% (800 km2) der vergletscherten Fläche ist weniger als 50 m dick, aber ein Viertel des Eisvolumens ist unter einer Fläche von nur 60 km2 gespeichert, mit Eisdicken grösser als 200 m. Das meiste Eis ist damit in den flachen Zungen der grössten Gletscher zu finden. Als Konsequenz sind Gletscherbetten vergleichsweise tief gelegen und nur schwach geneigt, dass heisst grosse Gletscher haben nur sehr be- grenzte Möglichkeiten, sich bei einem Rückzug in höhere Lagen zurückzuziehen. Insge- samt wurden 500–600 Übertiefungen mit einer Gesamtfläche von 50–60 km2 gefunden. Mit Wasser gefüllt sind sie von Interesse für die Wasserkraft, aber auch im Bezug auf Naturgefahren und Tourismus. Obwohl die Methoden um zukünftige Gletscherentwicklungen zu modellieren recht unterschiedlich sind, ermitteln alle Modelle bis zum Ende des 21. Jahrhunderts einen starken bis fast vollständigen Verlust von Gletscherfläche und Volumen. Die in dieser Arbeit verglichenen regionalen Modelle bestätigen den starken Gletscherverlust. Sie zeigen auch, dass die Unsicherheiten in den Klimaszenarien im Vergleich zu anderen Unsicherheiten (Eisdicke, Albedo Veränderung, etc.) die grösste Streuung (etwa 40%) des modellierten Flächenverlustes ausmachen. Trotz aller Unsicherheiten geben die in dieser Arbeit entwickelten Modelle einen um- fassenden Überblick der aktuellen Bedingungen und Eigenschaften, sowie eine Ab- schätzung der möglichen zukünftigen Entwicklung der Schweizer Gletscher. ❈♦♥❡♥ts Summary I Zusammenfassung III Contents V List of Figures IX Abbreviations