The Antarctic ice sheet and environmental change: a three-dimensional modelling study Der ...

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The Antarctic ice sheet and environmental
change:
a three-dimensional modelling study
Der antarktische Eisschild und globale
Umweltveranderungen:
Eine dreidimensionale Modellstudie
Philippe Huybrechts
Ber. Polarforsch. 99 (1992)
-
ISSN 017 6 5027
Philippe Huybrechts
Geografisch Instituut
Vrije Universiteit Brussel
Pleinlaan, 2
B-10 50 Brussel
Belgiurn
und
Alfred-Wegener-Institut füP olar- und Meeresforschung
Postfach 12016 1
Colurnbusstraß
W-2850 Bremerhaven
Bundesrepubtik Deutschland
This work is the printed version of a Ph.D thesis defended at the Faculty of
Sciences, Free University of Brusseis, in June 1991.
Die vorliegende Arbeit ist die inhaltlich unverändert Fassung einer
Dissertation, die Juni 1991 der Fakultä Wissenschaften der Freien
Universitä Brussel vorgelegt wurde.
CONTENTS
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F,OREWORD
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KURZFASSUNG
ABSTRACT
1. INTRODUCTION
2. THE ANTARCTIC ICE SHEET IN THE GLOBAL C
2.1. Configuration and flow
2.1.1. Bedrock
2.1.2. Area and volume
2.1.3 East Antarctic ice sheet
2.1.4. West Antarctbce sheet
2.1 5 Ice shelves
2.1.6. Antarct
2.2. Clirnate of the Anta
2.2.3. Accumulation r
2.3. Interaction with the environment: basic rnechanisrns
2.3.1 ., Impact of the iee sheet on,clirnate
2.3.2. Ice sheet response rnodes tu changes in
environmentai conditions
2.4.Jnstability mechantsrns
2.4.1. West Antarctic ice sheet grounding line instability
3:GLACIAL HISTORY
3.1. Inception and growth
es of Antarctic-glaciation ,
3.2. Fluctuations of the ice sheet since the Pliocene
TABLE OF CONTENTS
3.2.1. The 'Queen Maud' maximum
3.2.2. Further Plio-Pleistocene history
3.3. The last glacial cycle
3.3.1. The Last Interglacial
3.3.2. The Last Glacial Maximum
3.3.2.1. CLIMAP reconstruction
3.3.2.2. data acquired since CLIMAP
3.3.3. Holocene retreat
3.3.4. Present evolution
4. THE ICE SHEET MODEL 79
4.1. Statement of the problem 7 9
4.2. Previous modelling studies 82
4.2.1. Thermodynamic models 8 2
4.2.2. Dynamic ice flow models 82
4.2.3. Thermomechanic models 83
4.2.4. Antarctic models 84
4.3. Structure of the Huybrechts model 87
4.4. Formulation of the ice flow 8 9
4.4.1. General force balance and flow law 9 0
4.4.2. Grounded ice 93
4.4.2.1. ice deformation 93
4.4.2.2. basal sliding 9 5
4.4.2.3. complete velocity field 96
4.4.3. Ice shelf 97
4.4.3.1. boundary conditions 9 9
4.4.4. Stress transition Zone at the grounding line 100
4.5. Heat transfer 103
4.5.1. Ice temperature 104
4.5.2. Boundary conditions 105
4.5.3. Rock temperature 107
4.6. Isostatic bed adjustment 109
4.7. Nurnerical rnethods 113
4.7.1. Nurnerical grid 114
4.7.2. Solution of the continuity equation: ADI scheme 11 8
4.7.3. Determination of the ice mass fluxes 123
4.7.3.1. ice sheet 123
TABLE OF CONTENTS
4.7.3.2. ice shelf: point relaxation scheme
4.7.3.3. grounding Zone
4.7.4. Thermodynamic equation
4.7.5. Bedrock adjustment equation
4.8. Data Sets and model forcing
4.8.1. Geometrie model input
4.8.2. Climatic model input
4.8.3. Model forcing during the last glacial-
intergl acial cycle
4.8.3.1. temperature
4.8.3.2. sea level
4.9. List of symbols
4.9.1. Constants
4.9.2. Variables
5. BASIC SENSITIVITY EXPERIMENTS WITH FIXED GROUNDING LINE
5.1. Experimental setup
5.2. Results
5.2.1. The present reference state
5.2.2. Effect of basal sliding
5.2.3. Effect of geothermal heat flux
5.2.4. Pole of flow-temperature coupling
5.2.4.1. general effects
5.2.4.2. experimental results
5.2.5. Response to a complete glacial-interglacial cycle
5.3. Summary
6. SENSITIVITY EXPERIMENTS ON THE GLACIAL-INTERGLACIAL
CONTRAST
6.1. Experimental setup
6.2. Results
6.2.1. Interglacial 'steady state' reference run
6.2.2. Effect of changes in environmental conditioiis
6.2.2.1. ice sheet geometries
6.2.2.2. temperature distributions
6.2.2.3. response time scales
6.2.3. Cornparison with previous studies
TABE OF GONTENTS
6.3. Summa 176
7. ELLING THE LAST GL YCLE 179
7.1. Experimental setup 179
7.2. Results 180
7.2.1. Ice sheet evolution 180
7.2.2. The Antarctic ice sheet during the Last Interglacial 185
7.2.3. Present-day imbalance of ice thick~essa nd bed
187
189
190
7.3.1. Geomorpho 190
193
7.4. Summary 194
8. RESPONSE T0 FUTURE GREENH
8.1. Experimental setup
8.2. The enhanced greenhouse warming effect
8.3.1. Accumulati
8.4. Response of the ice 21 1
8.4.1. Statte re 21 1
Antarctiqa is a fascinating co- ntinent. Ever since it was first sighted in the eariy
19p cenjury, it has caught theiimagination of adventuruus -discoverers and
scientists alike. Also l did not,escape to its attraction. l have really enjoyed my
introduction to glaciology, above all owing to the people l have met and
yvorked with during my travels. Many ipeople have contributed to the
compietion of-this thesis. Some of them I would like to thank in particular. First
of all, Hans Oerlernans, who introduced me to the field of ice sheet modelling
at the Rijksuniversiteit Utrecht and whose knowledge of ice and climate
dynamics provided on rnany an occasion a good starting-point for lengthy and
absorbing talksi Jhese always took place in a friendly alrnosphere. l arti
grateful for the confidence he offered me and the effort he took to comment on
my model results when they became available.
Many thanks are also due to Hugo Decleir, the prornotor of this thesis at the
Vrije Universiteit Brussel, for his support and valuable advice to place my
results in a wider context. l appreciate the freedorn he has given me to carry
out rny research independently and am grateful for the possibility l had to
participate in international rneetings whenever there was a need for it. But
above all, l thank hirn, and the Japanese host expedition (JARE 31), for the
opportunity I was offered to visit that part of Antarctica Hugo knows so well,
namely the Ser Rondane Mountains in Dronning Maud Land. My first
encounter with the 'real thing' certainly was an instructive experience.
I am also deeply indebted to the Alfred Wegener Institut füP olar- und
Meeresforschung, Brernerhaven, and to the head of the geophysics
departrnent, Heinz Miller, for the - it seemed unlimited - access l was granted
to iheir CRAY-2 computing facilities at the University of Stuttgart. Without these
facilities, this research would simply not have been possible. In total, l stayed
more than one year in Brernerhaven and was able to work in a pleasant and
stirnulating environment. l thank my colFegues of the glaciology section for
their hospitality: Jürge Deterrnann, Hans Oerter and my room-mate Sepp
Kipfstuhl for their interest, and Anne Letreguilly and Niels Reeh for the fruitful
cooperation which resulted.
Acknowledgements are furtherrnore due to David Drewry and Paul Cooper, at
that time associafed with Ihe Scott Polar Research Institute, Cambridge, fŸ
providing their data set on accumulation rate and surface temperature; to W,F.
Budd and his CO-workersa t the University of Melbourne for communicating a
digitized version of basic SPRI-maps; to Hans Pfeiffenberger and Jens
Schlüteo f the AWI-Rechnergruppe for logistic support in dealing with yet
another graphics device and Computer link; to Tony Payne at the University of
Edinburgh for proof-reading and commenting on the manuscript; to Jan Van
Mieghem at the Geografisch Instituut of the VUB for drafting many of the
figures; and to all those that expressed interest in my work.
Last but not least, l thank Monik for sharing and enduring the hardships of a
scientist's life, which turned out to include almost rnore time abroad than at
home.
Brussel, March 15th 1991 Philippe Huybrechts
During this research, l was financially supported by the Belgian National Fund for Scientific
Research (NFWO) and the Belgian Scientific Research Prograrn on Antarctica (Science Policy
Office,S ervices of the Prime Minister) under contract ANTAR 11/04.
KURZFASSUNG
Diese Arbeit befaßs ich mit den Reaktionen des antarktischen Eisschildes auf
verändert Umweltbedingungen, sowohl füd ie länger paleoklimatische
Zeitskala (104-1 05 a), als auch fü die kürzere mit dem künftige
Treibhauseffekt in Verbindung stehenden Zeitskala (102 a). Die Reaktionen
des antarktischen Inlandeises sind von große Interesse, weil Änderunge
seiner Mächtigkei und Ausdehnung eine wichtige Rolle spielen füg lobale
atmospherische und ozeanographische Prozesse. Diese Änderunge sind
auch entscheidend verantwortlich füw eltweite Meeresspiegeländerungen In
deren Zusammenhang wird oft ein schneller Zusammenbruch der
Westantarktis, eines marinen Eisschildes, in Erwägun gezogen.
Der erste Teil gibt eine qualitative Beschreibung der Rolle des Eisschildes fü
die globale Umwelt und diskutiert möglich gegenseitige Einflüsse
Außerde wird ein Ãœberblicà ¼bed ie glaziale Geschichte des Inlandeises
gegeben und anhand von verfügbare Feldmessungen dessen Ausdehnung
währen des letzten Glazials rekonstruiert.
Darauffolgend wird der antarktische Eisschild einschließlic der Schelfeise
mit einem hochauflösende dreidimensionalen Fließmodelu ntersucht. Das
Modell berücksichtigd ie Dynamik der Aufsetzlinie, basales Gleiten sowie
isostatische Reaktionen des Untergrundes. Eisfluà und Temperaturfeld sind
gekoppelt, so da spezifizierte Umweltbedingungen die Geometrie des
Eisschildes kontrollieren. Meeresspiegelschwankungen sowie Änderunge
der Massenbilanz und Oberflächentemperatu treiben das Modell an.
Die Simulation des heutigen Eisschildes zeigt zunächst da das Modell
realistische Ergebnisse liefert. Anschließen erfolgt eine Reihe klimatischer
Experimente, in denen das Modell benutzt wird, das Inlandeis währen des
letzten Glazial-Interglazial-Zyklusses zu untersuchen. Das umfaß eine
Sensitivitätsstudi bezüglic veränderte Umweltbedingungen und eine
zeitabhängig Simulation des letzten glazialen Zyklus. In Übereinstimmun
mit glazial-geologischen Ergebnissen treten die deutlichsten Änderunge im
Bereich der Westantarktis auf. Diese Fluktuationen werden im Wesentlichen
von eustatischen Meeresspiegeländerunge kontrolliert, wohingegen
typische Glazial-Interglazial Variationen von Temperatur und Niederschläge
zu einer gegenseitigen Balance tendieren.
Auf den kürzere Zeitskalen der Treibhauserwärmun sind Änderunge der
Massenbilanz bestimmend. Die Modellrechnungen zeigen, da sehr
wahrscheinlich das antarktische Inlandeis wächst solange die
Temperaturerhohung unter 5OC liegt, da Schmelzen am Rande des
Eisschildes von höhere Niederschlagen auf dem Plateau kompensiert wird.
Die Hypothese eines schnellen, katastrophalen Zusammenbruches des
westantarktischen Eisschildes wird durch die in dieser Arbeit präsentierte
Ergebnisse nicht gestützt