On the use of a 3D glacier–plume model to estimate frontal ablation of marine–terminating glaciers
Authors:   , Muñoz Hermosilla José Manuel 
Published: September 2024

Aunque constituyen solamente una pequeña fracción del volumen total de hielo de los dos grandes mantos de hielo (Groenlandia y la Antártida), actualmente los glaciares están perdiendo más masa, y a una tasa similar o incluso superior, que cada uno de los mantos de hielo por separado. Es necesario, por tanto, entender que los glaciares, a pesar de su pequeño tamaño, son una parte importante de un sistema complejo en el que los efectos oceánicos y atmosféricos también juegan un papel esencial. Los tidewater glaciers (glaciares con terminación en el mar) son glaciares que terminan en el mar, ya sea a través de una lengua flotante o de un frente vertical anclado a tierra bajo el nivel del mar. En estos glaciares, una parte importante de la pérdida de masa es debida a la ablación frontal, y los principales contribuyentes a la ablación frontal son el calving o desprendimiento de icebergs y la fusión submarina. El calving es generalmente el principal contribuyente, sin embargo, la fusión submarina no solo ejerce un efecto directo sobre el frente glaciar, también puede promover más eventos de calving al inducir cambios en el campo de tensiones del frente. Por tanto, ambos procesos deben ser analizados conjuntamente. Entre los factores que afectan a los procesos de fusión submarina, uno de los procesos más importantes es la formación de plumas de flotabilidad debido a la descarga subglacial de agua dulce.

En este estudio se ha usado el programa Elmer/Ice para desarrollar un modelo 3D de dinámica glaciar. El modelo, que incluye \textit{calving} e hidrología subglacial, y está acoplado con un modelo de pluma lineal, calcula la posición del frente glaciar para cada paso temporal. Este modelo se ha aplicado al sistema glaciar--fjordo Hansbreen--Hansbukta situado en el suroeste de la isla de Spitsbergen, Svalbard, debido a la disponibilidad de grandes series de datos en esa zona. El estudio se ha realizado para el período comprendido entre septiembre de 2008 y marzo de 2011 y los resultados indican que el modelo 3D es capaz de reproducir el ciclo estacional de avance y retroceso. Además, al comparar las posiciones del frente del modelo con las observadas se encuentra que tienen un buen grado de acuerdo si se tienen en cuenta solamente los 350 m centrales del frente, con diferencias longitudinales, de media, por debajo de los 15 metros entre diciembre de 2009 y marzo de 2011. Sin embargo, hay regiones en las que el frente modelado presenta mayores divergencias respecto al observado, especialmente en el margen este. Al mejorar el modelo refinando las velocidades de superficie e introduciendo las tres zonas de condiciones ambientales para el modelo de pluma, el nuevo frente modelado reproduce mejor la fase de retroceso del glaciar en comparación con el modelo anterior. Además, la diferencias entre las posiciones modeladas y observadas se han reducido ya que se han obtenido diferencias longitudinales más pequeñas (por debajo de 10 metros), y al mismo tiempo se han extendido los anteriores 350 metros centrales, en los que se consigue que el modelo reproduzca con bastante exactitud las posiciones del frente observadas, hasta los 700 metros centrales, que es la mitad del frente del glaciar. Pese a todo, el problema en el margen este persiste.

Finalmente, se ha llevado a cabo un análisis de sensibilidad que prueba que el modelo es estable a variaciones de las condiciones iniciales. El análisis también indica que el calving es más sensible a cambios en las velocidades iniciales, seguido de cambios en las condiciones ambientales del fiordo y, finalmente, a cambios en la fusión en superficie.

ABSTRACT

Cryosphere refers to the parts of the Earth where water is frozen, and includes snow, glaciers and ice caps, ice sheets, lake and river ice, sea ice, permafrost and seasonally frozen ground. Combined, all these elements constitute ~ 70 % of the planet's total freshwater. The extension of the frozen components covers around 21 % of the Earth's surface, with glaciers representing around 0.15 % of the total of the ice. The ongoing climate change context represents a threat to the cryosphere's equilibrium, influencing the dynamics and mass balance of glaciers, as well as the ocean's thermal and dynamical processes. All of this could result in hydrological and ecological effects at regional and global scales, including sea level rise.

Glaciers, even if they constitute only a small fraction of the total volume of two main ice sheets -- Greenland and Antarctica -- are currently losing more mass, and at similar or greater acceleration rates, than either of the ice sheet individually. Therefore, it is necessary to understand glaciers as a part of a complex system in which oceanic and atmospheric effects also play an important role. Tidewater glaciers are glaciers that terminate in the sea, with terminus either floating or grounded below the sea level. In these glaciers, frontal ablation is responsible for a large fraction of the mass loss. The main contributors to frontal ablation are iceberg calving and submarine melting. Calving is usually the largest contributor, however, submarine melting not only has a direct effect on the glacier front, but also can promote calving events through the changes induced in the stress field at the glacier terminus. Therefore, both calving and submarine melting processes should be jointly analysed. Among the factors influencing submarine melting, one of the most important processes is the formation of a buoyant plume due to the emergence of fresh subglacial water at the glacier grounding line.

In this study Elmer/Ice software is used to develop a 3D glacier dynamics model including calving and subglacial hydrology, coupled with a line plume model to calculate the calving front position at every time step. This model was applied to the HansbreenHansbukta glacierfjord system in southern Spitsbergen, Svalbard, where a large set of data are available for both the glacier and the fjord, from September 2008 to March 2011. It is found that the 3D model reproduced the expected seasonal cycle of advance--retreat. Besides, the modelled front positions were in good agreement with the observed front positions at the central 350 m of the calving front, with longitudinal differences, on average, below 15 metres for the period from December 2009 to March 2011. But there were regions of the front, especially the eastern margin, that presented major differences. Improving the model by refining the input surface velocities and introducing a three--zone plume, the new modelled positions reproduced better the retreat season in comparison to the previous model. Furthermore, the level of agreement between modelled and observed front positions improved, resulting not only in lower longitudinal differences -- below 10 metres --, but also extending the central part of the front from 350 m to 700 m, half the total its extension. But the problem in the eastern margin persists.

Finally, a sensitivity analysis was carried out proving that the model is stable at variations in the input parameter, but also that calving is more sensitive to velocity changes, followed by to changes in the fjord ambient conditions and changes in the surface melt water.