AG Fernerkundung-GIS (Braun)

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

Mass balance and ice dynamics of Antarctic Peninsula glaciers

Project staff: Thorsten Seehaus

Pronounced climatic changes have been observed at the Antarctic Peninsula within the past decades and its glaciers and ice caps have been identified as a significant contributor to global sea level rise. Dynamic thinning and speed-up was reported for various tidewater glaciers on the western Antarctic Peninsula. On the east coast, several ice shelves disintegrated since 1995. Consequently, former tributary glaciers showed increased flow velocities due to the missing buttressing, leading to substantial ice mass loss. Various studies were carried out to quantify the ice mass loss and ice discharge to the ocean at the Antarctic Peninsula using different approaches. However, the results are still subject to substantial uncertainties, in particular for the northern section of the Antarctic Peninsula (<70°S).

Thus, the aim of this project is to carry out an enhanced analysis of glacier mass balances and ice dynamics throughout the Antarctic Peninsula (<70°S) using various remote sensing data, in-situ measurements and model output. By analyzing bistatic SAR satellite acquisitions, an unprecedented spatial coverage with surface elevation change information at the study area will be achieved to compute multi-temporal geodetic glacier mass balances on regional and glacier scales. Information on ice dynamics will be derived from multi-mission SAR acquisitions using offset tracking techniques. In combination with latest ice thickness data sets the spatiotemporal variability of the ice discharge to the ocean will be evaluated. By including information from in-situ measurements and model output of atmospheric and oceanic parameters, driving factors of the obtained change patterns will be assessed to enhance the understanding of the ongoing change processes.

The project results will contribute fundamental information to international initiatives and institutions like IMBIE, IPCC and WGMS and address several “Advancing Earth System Science Challenges of the Living Planet”, defined by ESA.

Funding period 2020-2022

SATELLITE – A stochastic eStimATe of sEa Level contribution from gLaciers and Ice caps using satellite remoTe sEnsing

Projektmitarbeiter: Christian Sommer, Philipp Malz, , Matthias Braun

Gletscher und Eiskappen außerhalb der polaren Eisschilde zeigten im Verlauf der letzten Jahrzehnte deutliche Massenverluste auf allen Kontinenten, ausgelöst durch globale Veränderungen des Klimas. In vielen Gebirgsregionen ist ein beschleunigtes Abschmelzen bis zum vollständigen Verschwinden von Gletschereismassen zu beobachten. Der Rückgang und Verlust der Vergletscherung in vielen Gebirgen stellt angrenzende Regionen vor große Probleme: So kommt es zu einer Verknappung der Wasserversorgung da z.B. besonders im Himalaya und den Anden Schmelzwasser eine der Hauptquellen für Trinkwasser und Bewässerung in der Landwirtschaft in niederschlagsarmen Jahreszeiten ist und das Risiko von Naturgefahren wie Erdrutschen oder Überflutungen durch das Zusammenbrechen aufgestauter Schmelzwasserseen steigt. Ebenfalls trägt der Rückgang terrestrischer Eismassen zunehmend zum globalen Anstieg des Meeresspiegels bei. Dennoch gibt es immer noch große Unsicherheiten bei der exakten Quantifizierung globaler Gletscherveränderungen durch eine Vielzahl unterschiedlicher Messmethoden und fehlender Beobachtungen besonders aus abgelegenen und schwer zugänglichen Teilen der Erde.

Die Zielsetzung des Projects SATELLITE ist die globale Erfassung von Gletscherveränderungen außerhalb der Polargebiete (zwischen 56°S und 60°N) im 21. Jahrhundert aufgrund einheitlicher Daten und Methodik und einer räumlichen Auflösung die sowohl die Untersuchung von großräumigen Regionen als auch einzelner Gletscher erlaubt. Die Grundlage hierfür liefern verschiedene Erdbeobachtungssatelliten mit aktiver (SRTM & TanDEM-X) und passiver (Landsat 8 OLI) Sensorik. Höhenveränderung von Gletschern werden hierzu mit differentieller Interferometrie (dinSAR) aus SRTM und TanDEM-X Daten abgeleitet im Zeitraum 2000-2012/13. Die resultierenden Massenbilanzen geben Auskunft über Abschmelzraten und Massenveränderungen der Gletscher im beobachteten Zeitraum.

Die gewonnenen Höhenänderungsfelder ermöglichen einen präzisen Vergleich von Dynamiken in unterschiedlichen Teilen der Erde und stellen eine gute Basis für globale Gletschermodelle, die Rekonstruktion von Eisdicken sowie für zukünftiges Wassermanagement da.

Projektlaufzeit : 2016-2019

Website: www.spp-sealevel.de

Gefördert durch die

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, Johannes Fürst

Erfassung der Aufsetzlinie und supra-glazialem Schmelzwasser am 79°-Gletscher in Grönland

Projektmitarbeiter: Philipp Hochreuther, Matthias Braun

Das Teilprojekt wird die Aufsetzlinie sowie die supra-glazialen Schmelzwasserflächen in ihrer räumlichen und zeitlichen Variation erfassen. Hierzu werden Daten verschiedenster nationaler und europäischer SAR-Systeme wie etwa TerraSAR-X und TanDEM-X, COSMO-Skymed, Sentinel-1 sowie Archivdaten von ERS-1/2 und ENVISAT SAR) genutzt. Doppel-differenzierte  Radarinterferogramme ermöglichen die Detektion der Aufsetzlinie zu verschiedenen Zeitpunkten. Um die Schmelzdynamik und die supraglazialen Seen zu kartieren werden Auswertealgorithmen angepasst und weiterentwickelt. Diese Auswertungen werden durch die Analyse von Daten optischer Satellitendaten ergänzt. Hieraus soll insbesondere die Tiefe und das Volumen der Schmelzwasserseen abgeschätzt sowie hochaugelöste Albedokarten generiert werden. Hauptdatenquellen für diese Analysen sind die europäischen Sentinel-2 sowie der LANDSAT-8 Mission. Ergänzt werden diese Analysen durch Datenprodukte der gröber aufgelösten MODIS-Zeitreihen.

Projektpartner:

• Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)
• GEOMAR – Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung
• Marum – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen
• Technische Universität Dresden
• Universität Bonn

Laufzeit: 2017 – 2020

Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Website: www.groce.de

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 Oberfächenmassenbilanz, 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

Gletschermonitoring in Hochasien mittels TanDEM-X InSAR und weiterer Erdbeoachtungssensorik

Projektteam: Matthias Braun, Melanie Rankl, Philipp Malz

Projektlaufzeit: 2015-2017

Übergeordnetes Projektziel ist eine Eignungsanalyse von Daten der TanDEM-X Science Phase sowie die Entwicklung einer Prozessierungskette zur Ableitung geodätischer Massenbilanzen. Zudem sollen Änderungen der Dynamik und  Ausdehnung der Gletscher Hochasiens auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen erfasst werden. Das zu entwickelnde Produkt ist ein validiertes „Methodeninstrumentarium zur Gletscherbeobachtung“, das nicht nur in Hochasien,  sondern auch in anderen Gebirgsregionen zur Beobachtung der dem globalen Klimawandel unterliegenden Gletscher eingesetzt werden kann. Die Innovation liegt in der Bewertung des Potenzials der experimentellen Aufnahmemodi der TanDEM-X Science Phase für die glaziologische Fernerkundung in Bezug zur bisherigen Aufnahmekonfiguration sowie in der Kombination mit glaziologischen Produkten basierend auf Daten verschiedenster Satellitenmissionen. Das  interferometrische Potenzial der Mission und dessen Eignung für steile Hochgebirgstopographien soll systematisch analysiert und Empfehlungen für die weitere Missionsplanung gegeben werden. Am Projektende soll eine verbesserte regionale Aussage zu den Massenänderungen der Gletscher in Hochasien stehen, die z.B. in internationale Berichte wie den IPCC AR6 einfließen kann.

Projektpartner: Prof. Dr. Volker Hochschild, Eberhard-Karls Universität Tübingen

gefördert durch:

HGF Alliance

Funding period: 2012-2017

The HGF Alliance “Remote Sensing and Earth System Dynamics” (EDA) aims at the development and evaluation of novel bio/geo-physical information products derived from data acquired by a new generation of remote sensing satellites; and their integration in Earth system models for improving understanding and modelling ability of global environmental processes and ecosystem change.

The key objective of the proposed Alliance is to prepare the HGF centers and the national/international science community for the utilisation and integration of bio/geo-physical products provided by the next generation radar remote sensing missions (e.g. Tandem-L) into the study of natural and anthropogenic impact on Earth’s ecosystems by:

• developing new bio/geo-physical information products from remote sensing data;
• integrating the new products into Earth system models;
• improving the understanding and modelling of dynamic processes;
• providing a unique forum for the education of a new generation of scientists.

Our working group forms part of the cryosphere workpackage of the HGF Alliance. We analyse SAR data in regard to changes in ice dynamics, volume and mass changes as well as glacier extent using SAR coherence. Our aim is to contribute to an improved system understanding merging the information terieved from earth observation with other data sources. For this purpose we develop algorithms based on data set from ALOS PALSAR and TerraSAR-X/TanDEM-X that provide respective products.

Project team

Saurabh Vijay, Melanie Rankl, Thorsten Seehaus, Matthias Braun

Full HGF-EDA Website

EU BiodivERsA, DFG FE 1331/3-1

Funding period: 2014-2017

Project team: Hannes Feilhauer, Sandra Skowronek

Invasive moss species Campylopus introflexus in the dunes of Sylt, Germany

Biodiversity conservation includes the development of warning and rapid response systems for biological invasions and urges investigations of their impacts on ecosystem function and services. In this context, the systematic, objective, and synoptic view on Earth of remote sensing systems offers a great opportunity to target biological invasion and their impact across various spatial and temporal scales. Within DIARS we aim to

1. characterize the ecosystem impact of invasive plant species through the combined use of field and remotely sensed data.

2. support monitoring, prediction of spread and risk assessment of invasive plant species as preconditions for management measures and mitigation.

For this purpose, we analyse and map the local distribution of the invasive species Campylopus introflexus, Prunus serotina and Oxalis pes-caprae and their impact on ecosystems in Germany and France.

Project website: DIARS

Project partners:

• Carnegie Department of Global Ecology, Stanford, CA, USA
• Fondazione Edmund Mach, San Michele all’Adige, Italy
• KIT, Karlsruhe, Germany
• KU Leuven, Leuven, Belgium
• U de Picardie Jules Vernes, Amiens, France
• Vito, Mol, Belgium

Gefördert durch die

DFG FE 1331/2-1

Funding period: 2013-2014

Project team: Hannes Feilhauer

AISA Dual data of the CaTReS study site (RGB – 734, 641, 549 nm)

Maps of vegetation patterns such as spatial variation in floristic composition, plant traits and plant functional types are required in ecology, ecosystem modelling and nature conservation. One frequently applied approach to generate these maps relies on imaging spectroscopy. In this approach, statistical relationships between a vegetation sample and the corresponding canopy reflectance are quantified and subsequently applied onto the imagery.

Although several successful examples of such applications exist, fundamental questions regarding the causal relations between vegetation patterns and canopy reflectance are still open. In particular the role of canopy optical traits remains poorly understood. Canopy optical traits determine the reflectance signal of vegetation and include canopy biochemistry, morphological and structural properties. CaTReS aims to test the qualitative and quantitative contribution of these traits to remote sensing of vegetation patterns in a test site in Southern Bavaria.

Gefördert durch die

DFG-Priority Programme 1158 Antarctic Research

BR2105/8-1

Funding period: 2009-2014 (completed)

This project aims to gain understanding of ongoing and potential changes of Wilkins and GeorgeVI ice shelves on the south-western Antarctic Peninsula. Both are located in an area of the supposed climatic limit of viability of ice shelves and have already shown considerable ice front retreat. The break-up events in 2008 and 2009 on Wilkins Ice Shelf exemplified their potential of disintegration.

Within a multi-institutional, interdisciplinary approach including remote sensing (FAU Erlangen-Nürnberg), modeling of the ice dynamics (Alfred-Wegener-Institut) and fracture mechanics (TU Kaiserslautern), we aim to improve the understanding of the impacts of temperature increase on ice shelf stability.

The remote sensing component includes the mapping of surface structures and fracture development over time, as well as the derivation of surface velocity fields by SAR interferometry and feature tracking for the Wilkins Ice Shelf, which are required as input datasets for modeling of fracture and ice dynamics. For this purpose, we use multi-temporal optical and SAR imagery (Alos Palsar, TerraSAR-X, ERS, ENVISAT). Further work tasks include the investigation of ice thickness changes based on altimetry data and the mapping of the grounding line using Differential SAR Interferometry. The observed quantities are interpreted in the context of ice dynamics and fracture mechanics.

Project team

Matthias Braun, Melanie Rankl

BayIntAn – Reconstruction of climate at Glaciar Perito Moreno

Funding period: 2014

Klimarekonstruktion am Perito Moreno Gletscher in Patagonien auf Basis von dendro-ökologischen Untersuchungen, meteorologischen Messungen und Fernerkundung
Die Messung verschiedener dendroökologischer Parameter wie Jahrringbreiten, Holzdichte und die Analyse der zeitlichen Variabilität der stabilen Isotope ermöglicht es Rückschlüsse auf vergangene Klimabedingungen zu ziehen, bevor irgendwelche Klimamessungen in der Region gemacht wurden (wir erwarten Aufzeichnungslängen von etwa 200 Jahren). Die dendrochronologischen Zeitreihen werden mit meteorologischen Daten einer automatischen Wetterstation am Südrand des Glaciar Perito Moreno kalibriert, die seit fast zwei Jahrzehnten kontinuierlich aufzeichnet. Dies ermöglicht es, eine Beziehung zwischen den in Baumringen gespeicherten Umweltvariablen und dem lokalen Klima herzustellen. Das ermittelte Klimasignal wird mit dem Gletscherverhalten und der Sensibilität des Gletschers gegenüber klimatischen Veränderungen verknüpft.
Der Perito Moreno ist der einzige Gletscher im Nationalpark Los Glaciares mit fast 2 Jahrzehnten ununterbrochenen meteorologischen Messdaten und einer einzigartigen Lage, um die Jahrringmessungen mit in-situ meteorologischen Beobachtungen zu kalibrieren. Die Baumarten der Gattung Nothofagus oberhalb der rezenten Lateralmoräne garantieren eine sehr starke Verbindung zwischen lokalem Klima und den Baumring Informationen sowie eine lange zeitliche Aufzeichnung. Anschließend an den Standort am Perito Moreno wird entlang des klimatischen Transekts, von feuchteren in trockenere Bedingungen, beprobt – die Standorte innerhalb des Nationalparks repräsentieren feuchte Bedingungen, während die Standorte außerhalb des Parks (nach Osten) trockenere Bedingungen aufweisen.

In Kooperation mit Pedro Skvarca, Glaciarium, El Calafate, Argentinien).

Anschubfinanzierung des Bayerischen Förderprogramms zur Anbahnung internationaler Forschungskooperationen (BayIntAn), 2014.

Gefördert durch:
BAYLAT (Bayerische Hochschulzentrum für Lateinamerika)
BayFor (Bayerische Forschungsallianz)
BayIntAn (Bayerisches Förderprogramm zur Anbahnung internationaler Forschungskooperationen)

Projektbeteiligte/ Project team

Björn Saß, Jussi Grießinger, Matthias Braun

EU FP7 IRSES

Funding period 2012-2016

IMCONet is an international Research Network that follows an interdisciplinary approach to understand the consequences of Climate Change in coastal Western Antarctica. A Network for Staff Exchange and Training, IMCONet is funded by the Marie Curie Action IRSES (International Research Staff Exchange Scheme) of the 7th Framework Programme of the European Union. The activity brings European, South American and US scientists together to advance climate and (eco-) system change research at the Western Antarctic Peninsula (WAP), a region of recent rapid aerial warming.

IMCONet objectives are

DFG-Priority Programme 1158 Antarctic Research

BR 2105/9-1

Funding period: 2012-2015

Climate conditions along the Antarctic Peninsula have considerably changed in the last 50 years. The glaciers on the Western Antarctic Peninsula have already shown reactions of change by speed-up and surface lowering. The disintegration of the Larsen-A and B Ice Shelves, the ice shelves in the Larsen Inlet, Prinz-Gustav-Channel and Wordie Ice Shelf have led to a surge-type behaviour of tributary glaciers to which much of the current contribution of Antarctic Peninsula ice to sea level rise is attributed. However, quantifications of mass loss from the peninsula using different observations and methods are still ambiguous.

The aim of our project is on to improve the quantifications of mass loss in the area of the former Northern Larsen-A embayment as well as for Western Antarctic Peninsula glaciers. In order to achieve those goals we analyse time series of satellite data from ERS 1/2, Envisat, Radarsat 1, ALOS PALSAR, TanDEM-X & TerraSAR-X and Rapideye to determine glacier velocity changes for these regions over the last 20 years. Furthermore we generate digital elevation models from TanDEM-X mission data in order to calculate surface elevation changes. Our products are backed up with GNSS ground truth measurements from joint German-Argentine (DNA_IAA)  field campaigns  and laser altimetry done by collaborating partners (Alfred Wegener Institut, Bremerhaven). In an integrated analysis those data sets are linked to achieve a better glaciological understanding of underlying processes and to estimate the ice mass loss at the study region.

Project team

Matthias Braun, Thorsten Seehaus

belspo

Funding period: 2016-2018

Project team: Hannes Feilhauer, Sandra Skowronek, and Iris Unberath

Species invasions are among the most important threats to the functioning of the Earth’s ecosystems. Invasion biologists have mainly focused so far on the effects that invasive plant species have on native populations and communities. The response of ecosystem functioning to invasion has received considerably less attention. In INPLANT we explore the capability of imaging spectroscopy data to define optically distinguishable functional types (‘optical types’) as a means to quantify the effects of invasive plants on ecosystem functioning. Spectroscopy data allow to characterize the canopy biochemistry, as such allowing a discrimination between subtle physiological differences among plant species, and enable a straightforward link to ecosystem processes. The optical types are expected to outperform, or at least complement, conventional functional trait approaches when predicting changes in ecosystem functioning through plant invasion. The principal idea behind INPLANT is that invasive plant species may have physical-chemical properties that differ from native species. These physical-chemical properties can be directly linked to ecosystem functioning changes following invasions, and they can be largely quantified based on the optical reflectance spectra of the species, which are detectable due to recent developments in remote sensing technology.

Project partners: KU Leuven, Leuven, Belgium

This project devotes itself to the question, what is the change in height by the densification of firn.

The test area is the Vestfonna Ice Cap (VIC) on the island Nordaustlandet in the north east of Svalbard. The VIC is ~2400 km² in size and has a dome like shape with well defined outlet glaciers. Further test sites with a magnificent in situ measurement archive are welcome.

The propulsion are inaccuracies introduced during the conversion between measured volume change into glacier mass changes. Until now, we calculated glacier mass balances with a constant conversion factor of 850 kg m^-3 or the density of ice (917 kg m^-3) for entire glacier basins, altitude dependent density variations and firn layer thickness were unnoticed this way. Or we used constant densities for the ablation (900 kg m^-3) and accumulation (600 kg m^-3) areas, whereby not homogeneous density variations with varying climate conditions were not considered. A decline of the accuracy in the amount of mass change is the consequence. This inaccuracy is a systematic component of uncertainty in geodetically determined mass balances, and thus need to be addressed for accuracy improvement.
The aim is to develop a firn elevation change model (FecMo) Surface Energy Balance (SEB) parameters (e.g. radiation, temperature, wind speed, precipitation, cloud cover fraction). At the moment the model is based on the COupled Snowpack and Ice surface energy and MAss balance glacier model (COSIMA) developed by Huintjes et al. (2015) (link to the open access Git repository). Latter model consists of a SEB model and an integrated subsurface model. Beside the surface energy component, the model has a discrete layer based subsurface structure.

To remove access restrictions by proprietary software, COSIMA-FecMo is developed in the programming language Python. Simple configuration and site specific initialization options will be implemented, additionally it will be possible to replace entire Py-modules (e.g. precipitation, albedo, densification) if more accurate modules are available. The python model will be offered to the scientific community.

FecMo will be forced by climate reanalysis data (e.g. Modèle Atmosphérique Régional (MAR), ERA-interim data from the ECMWF). The forcing will be validated by a AWS network on and around the ice cap. One part of AWS data was recorded during the International Polar Year Project Kinnvika (IPY Kinnvika) between 2007 and 2010, another part is free of charge from the MET Norway (eKlima) and the UNIS. FecMo will be calibrated by in situ measurements from the IPY Kinnvika on mass balance components (ablation, snow package character, firn properties).

The project combines remote sensing data (TanDEM-X, ICESat, CryoSat-2, Sentinel-1A, Aster) and methods (DInSAR, geodetic approach), climate data reanalysis and downscaling (MAR/ERA-Interim) and the extensive analysis of the IPY Kinnvika archive (GPR, snow pit, stake and AWS measurements, GPS and DGPS profiles).

At the end of our study, we will be able to derive layer based firn densities and to estimate firn densification on glaciers and ice caps to retrieve the amount of elevation change that is attributed to compaction.

Project members: Björn Saß

Bibliography:

Huintjes E, Sauter T, Schröter B, et al (2015) Evaluation of a Coupled Snow and Energy Balance Model for Zhadang Glacier, Tibetan Plateau, Using Glaciological Measurements and Time-Lapse Photography. Arct Antarct Alp Res 47:573–590. doi: 10.1657/AAAR0014-073

This work is funded by the German Environmental Foundation Scholarship Program (Deutsche Bundesstiftung Umwelt, DBU).

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

Fernerkundung von Gebirgsgletschern

Ableitung essentieller Klimavariablen für internationale Initiativen im Bereich Kryosphäre und Wasserressourcen
Methodenentwicklung und -verfeinerungen mit
Beispielanwendungen in den tropischen Anden

Kurzname: GEKKO Gebirgsgletscher Essentielle Klimavariablen der KryOsphere

Die Gletscher der tropischen Anden stellen eine bedeutende Wasserressource für die Region dar. Jedoch unterliegen sie sehr stark dem Einfluss des globalen Klimawandels. Die regionale Wasserversorgung ist in großem Maße abhängig vom Schmelzwasser der Gletscher. Das Ziel des Vorhabens ist die Analyse und Quantifizierung der Gletscherveränderungen in den tropischen Anden mittels verschiedenster Erdbeobachtungssensoren (SAR, optische Aufnahmen). Glaziologische Variablen (z.B. Gletscherausdehnung, Oberflächentyp, Firnlinien) und deren Schwankungen sollen ermittelt werden. Geodätische Massenbilanzen resultieren aus differenziellen TanDEM-X und SRTM Geländemodellen.

Neue und zukünftige Sensoren wie Sentinel-1&2 werden in die Studie integriert und ihr Potential für die Gletscherbeobachtung bewertet. Essentielle Information über den aktuellen Stand und den Veränderungen der Gletscher in den tropischen Anden werden aus dem Vorhaben abgeleitet.

Projekt-Team

Matthias Braun, Thorsten Seehaus

Gefördert durch DLR & BMWI

IMProved gEodetiC glaCier mAss BaLancE measurements by integrating remote sensing, surface mass balance and firn compaction modelling – a case study from James Ross Island, Antarctica (IMPECCABLE)

Zeitraum: 2016-2018

Das Hauptaugenmerk dieses Projektes liegt auf einer verbesserten Einschätzung von Gletschermassenverlust durch einen kombinierten Ansatz aus Volumenänderungen mittels Fernerkundungsdaten und einem Model der Firnverdichtung.

Für einen Vergleich zwischen geodätischen Ansätzen und Verfahren mittels Eisflussbestimmung wurde James Ross Island (JRI) auf der antarktischen Halbinsel ausgewählt. Die antarktische Halbinsel mit ihrem maritimen Einfluss zeigt eine Zunahme in Temperatur und Niederschlag sowie einen positiven Trend in der Länge der Schmelzdauer. Nach dem Kollaps von Eisschelfen reagieren die Gletscher mit einer erhöhten Geschwindigkeit und Durchflussrate, sodass sich in den letzten 50 Jahren die Grenze für einen Gletscherrückzug in der Antarktis weiter Richtung Süden verschoben hat.

Weiterhin gibt es viele Unsicherheitsfaktoren in der Modellierung von Gletschermassenbilanzen wie z.B. fehlende Berücksichtigung von Kalbung, ungenauer „Grounding Line“ sowie Fehler bei der Messung von Eisdicken oder der Umwandlung von Volumenmessung in Masseneinschätzungen. Auf Grund dieser Umstände sind die Unterschiede zwischen den verschiedenen Modellen nicht zu vernachlässigen und in situ Messungen für die Validierung sind von Nöten.

Dieses Projekt versucht einige Einschränkungen in den Modellen durch die Integration von folgenden Messungen zu umgehen:

• In situ Messungen von Oberflächenmassenbilanz, Installation von zwei automatischen Wetterstationen und Zeitraffer-Kameras auf dem Gourdon-Gletscher

• Statische und kinematische, differentielle GNSS Messungen auf dem JRI Plateau und Gourdon-Gletscher

• Untersuchungen mittels Bodenradar durch Helikopter-Befliegungen

• Messungen von Höhen- und Volumenänderungen durch Photogrammetrie und DinSAR

• Eisdynamiken aus TerraSAR-X und TanDEM-X Aufnahmen

• Modellierung von Firnverdichtung

Projekt-Teilnehmer: Stefan Lippl, Prof. Dr. Matthias Braun

Projekt-Partner: Dr. Daniel Nyvlt, Dr. Kamil Laska, Dr. Zdenek Stachon (Masaryk University, Brno), Dr. Zbynek Engel (Carles University, Prague), Ing. Sebastian Marinsek (Instituto Antártico Argentino)

Gesponsert durch DFG unter der Nummer BR2105/13-1 im Rahmen der tschechisch-deutschen Ausschreibung 2015