Changes of mountain glaciers on different time scales − a multi-temporal remote sensing data analysis
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Glacier changes take place on a regional and/or a catchment scale depending on the dominance of variable system inherent and external factors. In this study we investigate glacier changes in high-mountain Asia and Alaska regions using remote sensing data and examine the influence of potential mechanisms responsible for such changes.
We present 12 year glacier elevation change rates (2000−2012) of the Lahaul-Spiti, and the Jammu and Kashmir (JK) (Karakoram–Himalaya) regions derived from the TanDEM-X and the SRTM C-/X-band DEMs. Maximum thinning rates were observed for the Lahaul-Spiti region, Himalaya (−0.65 ± 0.43 m/yr) compared to the JK West, Himalaya (−0.48 ± 0.53 m/yr) and the JK East, Karakoram (−0.25 ± 0.47 m/yr) regions. All the glaciers in the Lahaul-Spiti and the JK West had either stable or retreating fronts, but 23 glaciers in the JK East surged during 2000−2012. This regional heterogeneity appears to coincide with the climate settings of high-mountain Asia. Although mid-latitude winter westerlies greatly influence the precipitation in these regions, its dominance in the JK East (Karakoram) is much more compared to the Lahaul-Spiti and the JK West, as noted by previous studies. On a catchment scale, we also find heterogeneous elevation change patterns within the same region. Results suggest that the dominance of either the insulating effects of thick debris-cover or enhanced melting at supraglacial ponds and lakes as well as ice cliffs cause this heterogeneity.
Radar signal can penetrate into glacier depending on its surface properties and can deteriorate geodetic observations. The TanDEM-X is an X-band radar mission primarily aimed for deriving global digital elevation model and a prime dataset for our study. We empirically determine the extent of X-band signal penetration into glacier by comparing elevations from TanDEM-X DEMs and NASA’s Operation IceBridge campaigns over Columbia Glacier, Alaska. We find that the penetration depth of X-band signal varies 0–4 m in summers and 4–25 m in winters, which needs to be taken into account for geodetic observations. Like, for instance, the penetration bias (SRTM C- and X-band) affected our geodetic observations in the Lahaul-Spiti region by 20 %.
Glacier outlines are required for monitoring glacier frontal changes (e.g. surging in the JK East) and glacier volume change estimations. However, mapping debris-covered glacier outlines is limited with optical and thermal data. Here we present an automatic method to delineate glacier outlines using InSAR coherence derived from multiple radar data (X-band of TerraSAR- X, C-band of Sentinel-1, L-band of ALOS PALSAR). We apply this method to Yazgyl Glacier, Karakoram and find that C-band radar data has the best classification accuracy among the radar frequencies used.
Ice dynamics of a marine-terminating glacier might vary on a seasonal and/or annual scales and play a significant role in mass losses from them. In this study we present a 5 year (2011−2016) record of surface velocity, mass flux, surface elevation and front position of Columbia Glacier, Alaska using TanDEM-X data. We find that both the branches (main and west) exhibited seasonal velocity variations, which are most likely controlled by the seasonal transition of the subglacial drainage system from inefficient to channelized drainage networks. However, the coincidences of abrupt velocity rise, and strong near-front thinning and frontal retreat probably occurred due to reduction in resistive stress and effective pressure.
Abstract
Glaziale Veränderungen können sowohl regional und/oder in Einzugsgebieten beobachtet werden, je nachdem welche systemischen und externen Faktoren vorherrschen. In der vorliegenden Studie untersuchen wir mit Hilfe von Fernerkundungsdaten glaziale Veränderungen in den Hochgebirgsregionen Asiens und Alaskas und analysieren den Einfluss möglicher Mechanismen auf solche Veränderungen.
Jährliche Höhenänderungsraten wurden von uns aus TanDEM-X und SRTM C-/X-Band-DEM Daten für die Regionen Lahaul-Spiti, Jammu und Kashmir (JK) (Karakorum–Himalaya) über einen Zeitraum von zwölf Jahren (2000-2012) abgeleitet. Im Vergleich zu den Regionen JK West/Himalaya (−0.48 ± 0.53 m/yr) und JK Ost/Karakorum (−0.25 ± 0.47 m/yr) konnten die größten negativen Höhenänderungsraten in der Lahaul-Spiti Region (−0.65 ± 0.43 m/yr), beobachtet werden. Alle Gletscher im Lahaul-Spiti sowie der JK West Region wiesen entweder stabile oder sich zurückziehende Gletscherfronten auf. Gleichzeitig zeigten 23 Gletscher der JK Ost Region im Zeitraum 2000−2012 ein Surge-Verhalten. Diese regionalen Unterschiedescheinen auf die klimatischen Bedingungen der Hochgebirgsregionen Asiens zurückzuführen sein. Frühere Studien haben gezeigt, dass obwohl winterliche Westwinde der mittleren Breiten einen großen Einfluss auf die Niederschläge in diesen Regionen haben, diese in der JK Ost Region deutlich grösser ausfallen als im Lahaul-Spiti und der JK West Region. Wir können zeigen, dass unterschiedliche Einzugsgebiete der gleichen Region teilweise heterogene Hö henänderungsmuster aufweisen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ursache für diese Heterogenität entweder in durch eine dicke Debrisbedeckung hervorgerufenen Isolationseffekten oder in einem verstärkten Schmelzen im Bereich supraglazialer Seen und Eiskliffs begründet liegt.
Radarsignale können je nach Oberflächenbeschaffenheit in den Gletscher eindringen und geodätische Messungen verfälschen. TanDEM-X ist eine X-Band Radarmission, deren primärer Zweck es war, ein globales digitales Höhenmodell zu erstellen. Gleichzeitig stellt diese Mission die Hauptdatenquelle für unsere Studie dar. Die Eindringtiefe des X-Bands wurde empirisch bestimmt, indem aus TanDEM-X Daten generierte Höheninformationen mit flugzeuggestützten Laseraltimeterdaten der Operation IceBridge Kampagne ( NASA) über dem Columbia Gletscher in Alaska verglichen wurden. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Eindringtiefe des X-Band Signals zwischen 0–4 m im Sommer und 4–25 m im Winter liegt. Dies muss bei geodätischen Messungen beachtet werden. Zum Beispeil betrug der durch unterschiedliche Eindringtiefen verursachte (unkorrigierte) Höhenfehler zwischen SRTM C- und X-Band für die Lahaul-Spiti Region ca. 20 %.
Gletscherumrisse werden benötigt, um Veränderungen der Gletscherfronten (z.B. im JK Ost) beobachten zu können und Änderungen des Gletschervolumens abschätzen zu können. Die Auskartierung schuttbedeckter Gletschern ist jedoch im Falle optischer und thermischer Daten beschränkt. In der vorliegenden Arbeit stellen wir eine automatische Methode vor, die es mit Hilfe von InSAR-Kohärenz aus verschiedenen Radardaten (X-Band aus TerraSAR-X, C-Band aus Sentinel-1, L-Band aus ALOS PALSAR) ermöglicht, Gletscherumrisse zu kartieren. Diese Methode wurde von uns für den Yazgyl Gletscher im Karakorum angewendet. Hierbei wiesdas C-Band Radardaten unter allen Bändern die beste Klassifikationsgenauigkeit auf.
Die Eisdynamik ozeanterminierender Gletscher kann saisonalen und/oder jährlichen Schwankungen unterliegen und spielt eine entscheidende Rolle für deren Masseverlust. In der vorliegenden Studie stellen wir über 5 Jahre (2011-2016) mit Hilfe von TanDEM-X Daten erstellte Zeitserien für Oberflächengeschwindigkeit, Massenfluss, Höhenänderung und Frontposition des Columbia Gletschers in Alaska vor. Unsere Daten zeigen, dass beide Zuflüsse (Main- und Westzufluss) saisonal bedingte Geschwindigkeitsveränderungen aufweisen. Diese werden höchst wahrscheinlich durch den saisonalen Übergang von einem ineffizienten zu einem kanalsierten subglazialen Abflusssystem kontrolliert. Das beobachtete zeitliche Zusammenfallen von abruptem Geschwindigkeitsanstieg und starkem Höhen- und Längenverlust nahe und an der Gletscherfront ist wahrscheinlich auf die Verringerung der Rückhaltekraft und des effektiven Drucks zurückzuführen.