AG Gletschersysteme & Naturgefahren
Der weltweite Gletscherrückzug wird stets augenfälliger und der damit verbundene Eisverlust dominiert seit vielen Jahrzehnten den Beitrag zum Meeresspiegelanstieg. Das Interesse der AG Gletschersysteme & Naturgefahren ist daher die Prozesse, welche die Gletscherentwicklung in der Vergangenheit und der Zukunft steuern, zu verstehen und zu beschreiben.
Der erwartete Gletscherrückgang in der Zukunft erfordert zudem eine angemessene Abschätzung gletscherbedingter Risiken wie saisonale Wasserverfügbarkeit, Instabilität von Berghängen und zerstörerischen Schuttströmen nach Dammbrüchen von Gletscherseen. Angemessene Modellierungsstrategien erfordern daher eine ganzheitliche Betrachtung des Gletschersystems einschließlich hydrologischer, geomorphologischer und atmosphärischer Prozesse. Dies umfasst die Betrachtung von Prozessen wie Eisbergkalben, Schmelzwasserabfluss unter Gletschern, Abfließen von Schuttströmen sowie Isolationseffekte des darunterliegenden Permafrostes.
Die Gruppe verfolgt ferner die Vision einer systematischen Nutzung der schnell wachsenden Informationen aus der Satellitenfernerkundung in geophysikalische Modellen. Auf diese Weise hoffen wir, unbekannte Parameter besser festlegen zu können, wie z.B. im Zusammenhang mit Reibung, Kalben oder dem Untergrundgelände. Letztendlich soll die Zuverlässlichkeit in Simulationen der Gletscherentwicklung für die Vergangenheit und die Zukunft verbessert werden. Die Anwendungen reichen dabei von einzelnen Gletschern über regionale Studien bis hin zu Eisschildern.
Kurz gesagt, wir sind freundliche und eisliebende Wissenschaftler*innen.
Mitarbeiter/-innen
Jorge Berkhoff
- E-Mail: jorge.berkhoff@fau.de
Oskar Herrmann
- E-Mail: oskar.herrmann@fau.de
Mamta K C
- E-Mail: mamta.kc@fau.de
Veena Prasad
- E-Mail: veena.prasad@fau.de
Schwerpunkte
Thematisch
- Eisdynamische Entwicklung von Gletschern und Eisschilden
- Gletscheränderungen unter klimatischen Veränderungen
- Klimawandel und Meeresspiegelanstieg
- Gletscherbedingte Naturgefahren im Hochgebirge
Methodisch
- Systematische Datenassimilierung
- Numerische Vorhersageverfahren
- Big data
Projekte
FRAGILE
FRAGILE – Next generation framework for global glacier forecasting
Worldwide glacier retreat outside the two large ice sheets is increasingly tangible and the associated ice-loss has dominated the cryospheric contribution to sea-level change for many decades. This retreat has also become symbolic for the effects of the generally warming climate. Despite the anticipated importance for future sea-level rise, continuing glacier retreat will affect seasonal freshwater availability and might add to regional water-stress in this century. Here, I envision a novel self-consistent, ice-dynamic forecasting framework for global glacier evolution that will lift the confidence in forward projections for this century to new heights. For the first time, each glacier on Earth will be treated as a three-dimension body within its surrounding topography without using any form of geometric simplification. The heart of the framework is the systematic utilisation of the rapidly growing body of information from satellite remote sensing. For this purpose, I intend to pass on to ensemble assimilation techniques that transiently consider measurements as they become available. This will streamline and increase the total information flow into glacier models. In terms of climatic forcing, global products will be replaced by regional forecasts with high-resolution climate models. Moreover, a more realistic representation of the local energy balance at the glacier surface is pursued that ensures multi-decadal stability in the melt formulation. The envisaged 3D finite-element modelling framework also allows a direct integration of iceberg calving, which is, on global scales, an oftenunconsidered dynamic ice-loss term. To this day, a key limitation of glacier projections is the poorly constrained ice volume and its distribution at present. Here, I put forward a promising remedy that builds on multi-temporal satellite information to calibrate a state-of-the-art reconstruction approach for mapping basinwide ice thickness on virtually any glacier.
European Research Council (ERC) – Starting Grant
Period: 2021 – 2026
Project staff: Theresa Diener, Alexander R. Groos, Johannes Fürst
MAGIC
MAGIC – Das Vorhersageverfahren für Gebirgsgletscher
Bilder des weltweiten Gletscherrückgangs sind heutzutage ein greifbares Sinnbild für spürbare Konsequenzen der globalen Erwärmung. In unmittelbarer Zukunft erwarten wir, dass dieser Niedergang anhält und bedeutsam zum globalen Meeresspiegelanstieg beiträgt. Des Weiteren hat der globale Gletscherschwund Einfluss auf lokale Wasserverfügbarkeit und in einige Regionen ist die ganzjährige Versorgung gefährdet. Verlässlichere Vorhersagen des zukünftigen Eisrückgangs sind damit unerlässlich zur Abschätzung von sozioökonomischen Risiken und Auswirkungen. Das Hauptziel dieses Projekts ist daher die Schaffung eines einsetzbaren Modellierverfahrens, welches verlässliche Simulationen vergangener und zukünftiger Gletscherentwicklung erlaubt. Das Eisflussmodell Elmer/Ice wird als Grundlage zur Entwicklung dieses prozess-orientierten Verfahrens dienen. Die Zielstellung dabei ist es den Einfluss von drei wichtige Unsicherheitsquellen zu minimieren. Im Vorgriff auf die stetig wachsende Informationsmenge aus der Satellitenfernerkundung, werden wir robuste Datenassimilationsmethoden entwickeln, um die meist unbekannte Bodentopographie unter Gletschern verlässlicher zu bestimmen sowie Fließparameter besser zu kalibrieren. Diese Unbekannten legen den Anfangszustand für Vorhersagen fest und entscheiden über die Relevanz der Eisdynamik. Elmer/Ice soll zudem an ein verbessertes Modell für die Oberflächenmassenbilanz, d.h. der Differenz aus Schneeakkumulation und Schmelze, gekoppelt werden. Die Schmelzbeziehung des gewählten Modells soll für längeren Zeitskalen (Jahrzehnte) geeignet sein. Basierend auf Ensemble- Simulationen erlaubt dieser Modellierungsrahmen eine fundierte Quantifizierung eisdynamischer Wechselwirkungen sowie der Fortpflanzung von Anfangsunsicherheiten. Als Machbarkeitsstudie, wenden wir den angestrebten Modellierungsrahmen auf zwei gletscherbedeckte Gebiete in den französischen Alpen und der chilenischen Cordillera Darwin an. Diese Standorte wurden gewählt da in beiden Regionen der Einfluss der Eisdynamik bedeutsam ist und da Feldmessungen sowie Fernerkundungsdaten verfügbar sind. Beide Standorte sind zudem anspruchsvolle Testbeispiele um die Anwendbarkeit, Leistungsfähigkeit und Robustheit des Modellierungsrahmens unter verschiedenen klimatischen Bedingungen und dynamischen Gegebenheiten zu untersuchen.
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Project ID: 431767937
Laufzeit: 2020-2023
Projekt-Team: Franziska Temme, Johannes Fürst, Fabien Gillet-Chaulet
TAPE
Tapping the potential of Earth Observations (TAPE) – FAU Emerging Fields Initiative
Project staff: Thorsten Seehaus, Lukas Sochor, Matthias Braun, Johannes Fürst, Eberhard Bänsch, Andreas Maier, Nora Gourmelon
Ziel des Projekts ist es, die Zeitreihen von Erdbeobachtungs(EO)-Daten mit innovativen Methoden des „Deep Learnings“ zu analysieren, um effiziente Algorithmen zur Bewältigung der großen Datenmengen zu entwickeln. Der Wert dieser EO-Produkte wird durch fortgeschrittene Interpolationstechniken und Assimilation in geophysikalische Modelle, die es in der angewandten Mathematik gibt, weiter erhöht.
Funding period 2019-2022
Abgeschlossene Projekte
SVALbard-Bedrock
Im Laufe des vorigen Jahrhunderts betrug die globale Erwärmung an der Erdoberfläche ca. 0.7°C. Da das Klimasystem einen Verstärkungseffekt in hohen Breiten aufweist, war diese Erwärmung stärker ausgeprägt in der Polarregion. Eine Folgeerscheinung ist der allgemeine Rückgang der Gletscher auf Svalbard im vorigen Jahrhundert. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Dickenabnahme im Süden allerdings dramatisch beschleunigt. Diese jüngste Entwicklung lässt sich jedoch nicht auf die gesamte Arktis übertragen, denn das Svalbard Archipel ist klimatisch gesehen, besonderen Gegebenheiten unterworfen. Untypisch für diese Breiten, erfährt es ein eher warmes und wechselhaftes Klima. Aus diesem Grunde wird die Gletscherentwicklung auf Svalbard oft als Vorbote für bevorstehende Änderungen in den anderen arktischen Regionen gesehen.Im Vergleich zu anderen Teilen der Arktis sind auf Svalbard sowohl Gletscherausdehnungen und Geometrieänderung der letzten Jahrzehnte gut dokumentiert. Deren Interpretation mit Hinblick auf den Klimawandel ist allerdings behindert, da geometrische Veränderungen durch die klimatische Oberflächenmassenbilanz und Eisflussdivergenzen verursacht werden. Letztere sind bestimmt durchdie Geometrie und den Eisfluss, wodurch sie nicht zwangsläufig direkt an klimatologische Veränderungen gekoppelt sind. Da es jedoch nur spärliche und meist asynchrone Geschwindgkeits- und Mächtigkeitsmessungen gibt, ist eine Quantifizierung des dynamischen Beitrags zu Gletscherveränderungen bis zum heutigen Tage weitestgehend unmöglich. Des Weiteren haben wir dadurch nur eine sehr vage Vorstellung des jährlichen Eisausflusses durch Eiskalben an den marinen Gletscherfronten. Dieser Eisausfluss erklärt vermutlich einen nicht unerheblichen Teil der jährlichen Eismassenbilanz des Archipels.Das Ziel dieses Forschungsantrags ist eine fundierte Bestimmung der dynamischen Komponente der Gletscherentwicklung auf Svalbard. Zu diesem Zweck werden flächendeckende Oberflächengeschwindigkeiten aus Fernerkundungsdaten abgeleitet, welche wiederum benötigt werden für eine Rekonstruktion der basalen Topographie unter der Eisdecke Svalbards.
Die geplante Rekonstruktion bedient sich des fundamentalen Prinzips der Massenerhaltung, liefert damit eine strömungskonsistente Karte der Eismächtigkeiten und ist bereits verfügbar in unserem Eismodell. Die Rekonstruktion ermöglicht die Berechnung der Flussdivergenz und somit eine bessere Interpretation der jüngsten Veränderungen angesichts der aktuellen Erwärmung in der Arktis. Darüber hinaus, können bisherige Extrapolationversuche zur Abschätzung des Gesamteisvolumens und des Gesamteisausflusses auf Svalbard ersetzt werden durch diese physikalisch fundierte Rekonstruktion. Die abgeleitete Bodentopographie ist im Einklang mit dem Eisströmungsfeld und wird vielen Anwendungen von Eisflussmodellen zugute kommen. Mit unserem Flussmodell werden wir regionale Unterschiede in der Bedeutung basalen Gleitens auf den Gesamteisfluss ableiten.
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 274939856
Vorschlag für Bachelor- und Masterarbeiten
BACHELOR
- Assess the risk for outburst floods from El Morado Glacier (J. Fürst)
- Implementing tipping cascades following ‘Wunder et al.’ (J. Fürst)
- Literature overview of glacier changes in the Cordillera Darwin (F. Temme & J. Fürst)
- Thermische Charakterisierung und Entwicklung von Alpinen Gletschern – Alpen oder Svalbard (Literaturrecherche, J. Fürst)
- Literature overview of supraglacial lakes drainages in Greenland (I. Tabone)
MASTER
- Past-to-future evolution of Langenferner, South Tyrol (J. Fürst)
- Implementation of a surge model (Benn et al., 2019) for a benchmark glacier (J. Fürst)
- Assessing the impact of föhn events on the glacier surface mass balance in Southern Patagonia, 2D modelling WRF/COSIPY (F. Temme, J. Fürst, T. Mölg)
- Time inversion in Glacier Modelling (J. Fürst)
- DIVA/ThicknessSolver (possibly KONWHIR) (J. Fürst)
- Svalbard reconstruction of glacier ice thickness – update (J. Fürst)
- Mapping debris thickness on alpine glaciers using drone-based thermography and geodesy (A. Groos)
- Understanding the impact of rocky debris on the melting and future evolution of glaciers in the central Andes, Chile (D. Farías & A. Groos / Hertha un Helmut Schmauser-Stiftung)
- Combining drone-based mapping and numerical glacier modelling to evaluate the impact of moulins and runoff on ice dynamics at the Kanderfirn glacier, Swiss Alps (I. Tabone & A. Groos)
- Thermische Isolationswirkung von Gletschern auf Permafrost im Hochgebirge (J. Fürst)
- Modelling the effect of basal hydrology on glacier dynamics at the Schiaparelli Glacier (Cordillera Darwin, Chile) (I. Tabone & F. Temme)
Stellenangebote
Publikationen
2023
Robust reconstruction of glacier beds using transient 2D assimilation with Stokes
In: Journal of Glaciology (2023)
ISSN: 0022-1430
DOI: 10.1017/jog.2023.26
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Out-of-the-box Calving Front Detection Method Using Deep Learning
In: The Cryosphere Discussions (2023)
ISSN: 1994-0432
DOI: 10.5194/tc-2023-34
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Strategies for regional modeling of surface mass balance at the Monte Sarmiento Massif, Tierra del Fuego
17 (2023), S. 2343--2365
DOI: 10.5194/tc-17-2343-2023
URL: https://tc.copernicus.org/articles/17/2343/2023/
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2021
Acceleration of Dynamic Ice Loss in Antarctica From Satellite Gravimetry
In: Frontiers in Earth Science 9 (2021)
ISSN: 2296-6463
DOI: 10.3389/feart.2021.741789
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Results from the Ice Thickness Models Intercomparison eXperiment Phase 2 (ITMIX2)
In: Frontiers in Earth Science 8 (2021), Art.Nr.: 571923
ISSN: 2296-6463
DOI: 10.3389/feart.2020.571923
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Measuring and inferring the ice thickness distribution of four glaciers in the Tien Shan, Kyrgyzstan
In: Journal of Glaciology 67 (2021), S. 269-286
ISSN: 0022-1430
DOI: 10.1017/jog.2020.104
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2020
Uncertainty Assessment of Ice Discharge Using GPR-Derived Ice Thickness from Gourdon Glacier, Antarctic Peninsula
In: Geosciences 10 (2020), S. 12
ISSN: 2076-3263
DOI: 10.3390/geosciences10010012
URL: https://www.mdpi.com/2076-3263/10/1/12
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Brief communication: Glacier thickness reconstruction on Mt. Kilimanjaro
In: Cryosphere 14 (2020), S. 3399-3406
ISSN: 1994-0416
DOI: 10.5194/tc-14-3399-2020
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Flow Regimes and Föhn Types Characterize the Local Climate of Southern Patagonia
In: Atmosphere 11 (2020), S. 899
ISSN: 2073-4433
DOI: 10.3390/atmos11090899
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Worldwide version-controlled database of glacier thickness observations
In: Earth System Science Data 12 (2020), S. 3039-3055
ISSN: 1866-3508
DOI: 10.5194/essd-12-3039-2020
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2019
Mass and enthalpy budget evolution during the surge of a polythermal glacier: A test of theory
In: Journal of Glaciology (2019)
ISSN: 0022-1430
DOI: 10.1017/jog.2019.63
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A consensus estimate for the ice thickness distribution of all glaciers on Earth
In: Nature Geoscience 12 (2019), S. 168-+
ISSN: 1752-0894
DOI: 10.1038/s41561-019-0300-3
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2018
The ice‐free topography of Svalbard
In: Geophysical Research Letters 45 (2018), S. 11760-11769
ISSN: 0094-8276
DOI: 10.1029/2018GL079734
URL: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/action/showCitFormats?doi=10.1029/2018GL079734
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2017
How accurate are estimates of glacier ice thickness? Results from ITMIX, the Ice Thickness Models Intercomparison eXperiment
In: Cryosphere (2017)
ISSN: 1994-0416
DOI: 10.5194/tc-11-949-2017
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Application of a two-step approach for mapping ice thickness to various glacier types on Svalbard
In: Cryosphere 11 (2017), S. 2003-2032
ISSN: 1994-0416
DOI: 10.5194/tc-11-2003-2017
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Dynamic changes on the Wilkins Ice Shelf during the 2006-2009 retreat derived from satellite observations
In: Cryosphere 11 (2017), S. 1199-1211
ISSN: 1994-0416
DOI: 10.5194/tc-11-1199-2017
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2016
The safety band of Antarctic ice shelves
In: Nature Climate Change 6 (2016), S. 479-482
ISSN: 1758-678X
DOI: 10.1038/nclimate2912
URL: http://www.nature.com/nclimate/journal/vaop/ncurrent/full/nclimate2912.html
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2015
- Furst JJ, Durand G, Gillet-Chaulet F, Merino N, Tavard L, Mouginot J, Gourmelen N, Gagliardini O:
Assimilation of Antarctic velocity observations provides evidence for uncharted pinning points
In: Cryosphere 9 (2015), S. 1427-1443
ISSN: 1994-0416
DOI: 10.5194/tc-9-1427-2015
URL: https://www.the-cryosphere.net/9/1427/2015/
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Ice-dynamic projections of the Greenland ice sheet in response to atmospheric and oceanic warming
In: Cryosphere 9 (2015), S. 1039-1062
ISSN: 1994-0416
DOI: 10.5194/tc-9-1039-2015
URL: https://www.the-cryosphere.net/9/1039/2015/
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2014
Modelling the evolution of Vadret da Morteratsch, Switzerland, since the Little Ice Age and into the future
In: Journal of Glaciology 60 (2014), S. 1155-1168
ISSN: 0022-1430
DOI: 10.3189/2014JoG14J053
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2013
Effect of higher-order stress gradients on the centennial mass evolution of the Greenland ice sheet
In: Cryosphere 7 (2013), S. 183-199
ISSN: 1994-0416
DOI: 10.5194/tc-7-183-2013
URL: https://www.the-cryosphere.net/7/183/2013/tc-7-183-2013.html
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Sensitivity of Greenland ice sheet projections to model formulations
In: Journal of Glaciology 59 (2013), S. 733-749
ISSN: 0022-1430
DOI: 10.3189/2013JoG12J182
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Grounding-line migration in plan-view marine ice-sheet models: results of the ice2sea MISMIP3d intercomparison
In: Journal of Glaciology 59 (2013), S. 410-422
ISSN: 0022-1430
DOI: 10.3189/2013JoG12J129
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Mathematical modeling of ice flow in the north-western Greenland and interpretation of deep drilling data at the NEEM camp
In: Lëd i Sneg (Ice & Snow) 53 (2013), S. 16-25
ISSN: 2076-6734
DOI: 10.15356/2076-6734-2013-1-16-25
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Calibration of a higher-order 3-D ice-flow model of the Morteratsch glacier complex, Engadin, Switzerland
In: Annals of Glaciology 54 (2013), S. 343-351
ISSN: 0260-3055
DOI: 10.3189/2013AoG63A434
URL: https://www.cambridge.org/core/journals/annals-of-glaciology/article/calibration-of-a-higherorder-3d-iceflow-model-of-the-morteratsch-glacier-complex-engadin-switzerland/28C64E31C01707F003138DEC6231E632
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2012
A minimal model for wind- and mixing-driven overturning: threshold behavior for both driving mechanisms
In: Climate Dynamics 38 (2012), S. 239-260
ISSN: 0930-7575
DOI: 10.1007/s00382-011-1003-7
URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-011-1003-7?LI=true
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2011
Improved convergence and stability properties in a three-dimensional higher-order ice sheet model
In: Geoscientific Model Development 4 (2011), S. 1133-1149
ISSN: 1991-959X
DOI: 10.5194/gmd-4-1133-2011
URL: https://www.geosci-model-dev.net/4/1133/2011/gmd-4-1133-2011.html
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2010
Atlantic pycnocline theory scrutinized using a coupled climate model
In: Geophysical Research Letters 37 (2010)
ISSN: 0094-8276
DOI: 10.1029/2010GL044180
URL: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2010GL044180
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