Glacial Drainage Systems Characterization Using Inverse Modelling and Remote Sensing

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State: Public
Version: After imprimatur
License: Not specified
Serval ID
serval:BIB_8AAEF504B03D
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
Glacial Drainage Systems Characterization Using Inverse Modelling and Remote Sensing
Author(s)
Irarrázaval Bustos Iñigo
Director(s)
Mariéthoz Gregoire
Codirector(s)
Herman Frédéric
Institution details
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Publication state
Accepted
Issued date
2020
Language
english
Abstract
Water flow on top, trough and at the bottom of glaciers exerts key controls on ice-dynamics. Moreover, water pressure at the bottom of glaciers plays a crucial role modulating the ice-bedrock coupling. Under today’s climate change scenario, predicting glacier responses to future climatic forcing is imperative. Consequently, significant scientific effort has been drawn to the study and modelling of different aspects of glacier hydrology and its feedbacks with ice-dynamics.
This PhD thesis focuses on studying glacier hydrology components. First, the attention is drawn to subglacial hydrology. Recent advances in subglacial hydrology include numerical models that successfully incorporate most of the known physical processes. However, conditioning to data and uncertainty quantification are challenging mostly due to the complexity of subglacial systems and expensive computations as well as a high number of unknown parameters. Moreover, estimating uncertainties is key to evaluate predictions of glacier evolution into climate change scenarios. Then, the first aim of this thesis is to develop a framework to infer the spatial structure and hydraulic characteristics of the subglacial drainage system from field observations. This is contrasting with previous work where some of the hydraulic parameters and the spatial structure are an emergent result from a process-based model where physical equations are solved. In Chapter II, a method that combines geostatistical and physical processes is developed to generate subglacial channels. One of the main advantages of geostatistical models is that they are computationally inexpensive. Then, a probabilistic inverse framework is used to infer subglacial channels that honour observations and moreover to quantify uncertainty. The methodology is tested on a synthetic or idealized ice-sheet geometry. Next, the methodology is further adapted and improved to suit a real-world scenario. The Gorner Glacier is selected as it comprises one of the most complete data sets. It is shown that, even in the presence of a dense dataset available for the Gorner Glacier, different subglacial channel networks can equally satisfy field data. Observations are too sparse to fully characterize the subglacial system, highlighting the importance of working with multiple scenarios (Chapter III). Second, the thesis investigates spatial and temporal changes occurring at glacier-lake interaction. Proglacial lakes have shown to exert control on ice-dynamics, accelerating ice flow and increasing mass loss for example. This chapter aims to characterize, monitor and integrate geomorphological and ice-dynamics processes in order to identify main controls during proglacial lake development in Exploradores Glacier, Patagonia. During one year, repeat unmanned aerial surveys and lakes level observation were collected. The data set was complemented with twenty years of satellite images record. This provided a detailed characterization and evolution of ongoing deglaciation in Exploradores Glacier and serves as a baseline for further research.
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La pression de l'eau à l'interface roche-glace joue un rôle crucial dans la dynamique de la glace, car elle module ce lien et donc le glissement basal. Les récents progrès en hydrologie sous-glaciaire comprennent des modèles numériques qui intègrent avec succès la plupart des processus physiques connus. Cependant, le conditionnement aux données et la mesure des incertitudes sont difficiles, principalement en raison de la complexité des systèmes d'hydrologie sous-glaciaire, des coûteux calculs ainsi que du grand nombre de paramètres inconnus. En outre, l'estimation des incertitudes est essentielle pour évaluer les prévisions d'évolution des glaciers dans les scénarios de changement climatique.
L'objectif principal de cette thèse est de développer une solution permettant de déduire la structure spatiale et les caractéristiques hydrauliques du système de drainage sous-glaciaire à partir d'observations effectuées sur le terrain. L’incorporation des données d’observation permet la réduction de l'incertitude, la faisabilité de la collecte de données, et le coût en calcul y sont discutés. Contrastant avec les travaux précédents où certains des paramètres hydrauliques et la structure spatiale sont le résultat de modèle basé sur des processus (par résolution des équations physiques).
Le principal travail est divisé en trois chapitres. Le premier concerne le développement d’une méthode qui combine les processus géostatistiques et physiques afin de générer des chenaux sous-glaciaires. L'un des principaux avantages des modèles géostatistiques est qu'ils sont peu coûteux en termes de calcul. Ensuite, un modèle d’inversion probabiliste est utilisé pour en déduire les chenaux sous-glaciaires qui respectent les observations et ainsi quantifier l'incertitude. La méthodologie est testée sur une géométrie de calotte glaciaire théorique (chapitre II).
Dans la deuxième partie, la méthodologie est encore améliorée et adaptée à un scénario réel. Le glacier du Gorner est sélectionné, car il comprend l'un des sets de données les plus complets. Il est démontré que, même en présence d'un set de données dense comme le glacier du Gorner, différents réseaux de chenaux sous-glaciaires peuvent satisfaire les données collectées sur le terrain. Les observations sont trop rares pour caractériser complètement le système sous-glaciaire, ce qui souligne l'importance de travailler avec de multiple scénario (chapitre III).
La dernière partie de la thèse vise à transférer la méthodologie développée dans un cadre alpin au glacier Exploradores dans les Andes patagoniennes. Des relevés aériens répétitifs ainsi que la surveillance du niveau d'eau des lacs proglaciaires ont été réalisés pendant un an. Les données ont été intégrées pour caractériser le glacier Exploradores et servent de base de référence pour d'autres applications (chapitre IV).
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Les glaciers sont des indicateurs clés du changement climatique. De plus, les prévisions concernant la réaction des glaciers au changement climatique incluent des conséquences telles que l'élévation du niveau de la mer, la réduction du stocke d'eau douce ainsi que l'augmentation des inondations dues aux débordements des lacs glaciaires. Par conséquent, un effort scientifique important a été consacré à la compréhension de l'évolution des glaciers et de leur réaction au changement climatique. Il a été remarqué que la pression de l'eau à l'interface glace-sol joue un rôle crucial dans l'écoulement de la glace. Cependant, l'étude de l'écoulement de l'eau au niveau de l’interface reste un défi majeur. L'eau s'écoule dans des réseaux complexes de chenaux et de cavités interconnectés avec une géométrie qui s’ajuste en permanence. De plus, comme l'interface est pratiquement inaccessible, on ne dispose généralement que de peu d'observations et uniquement d’observation indirectes.
L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthodologie permettant de simuler les réseaux de chenaux à la base des glaciers qui sont en accord avec les observations sur le terrain. Comme les données sont rares, la méthodologie peut renvoyer de multiples solutions qui sont toutes en accord avec les observations.
Le travail est présenté à travers trois chapitres. Tout d'abord, une méthode qui simule l'écoulement de l'eau à l'interface glace-roche, permettant de trouver les réseaux de chenaux qui sont en accord avec les données. La méthode est testée dans une géométrie de calotte glaciaire théorique (chapitre II).
Ensuite, la méthode est améliorée pour s'adapter à un scénario réel. Ici, nous avons choisi le glacier du Gorner car il possède l'un des ensembles de données les plus complets. On constate que même en présence d'un set de données dense comme dans le cas du glacier du Gorner, différents réseaux de chenaux peuvent correspondre aux observations (chapitre III).
La dernière étape vise à transférer la méthodologie développée dans un cadre alpin au glacier Exploradores dans les Andes patagoniennes. Une collecte de données exhaustive a été effectuée sur le terrain, comprenant huit relevés répétitifs par drone, ainsi que la surveillance du niveau de l'eau des lacs glaciaires. L'ensemble des données a été utilisé pour caractériser le glacier Exploradores et sert de base de référence pour les futures modélisations (chapitre IV).
Create date
01/12/2020 11:17
Last modification date
17/12/2020 9:37
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