Glacier mass-balance and discharge modeling

Abstract

Glaciers are among the most frequently used natural phenomena to illustrate ongoing global warming. Retreating glacier tongues and the reduction of glacierized areas are visible all over the world. Changes in glacier volume affect both the river runoff regime downstream and sea level. In Norway, mountain glaciers and associated streamflow are of particular importance since the electricity sector relies on hydropower. The spatial and temporal distribution of glacier mass-balance and discharge measurements from glacierized catchments is therefore biased towards demands from hydropower utilization. This study investigates glacier mass balance and associated meltwater discharge together with their spatial and temporal variations. A mass-balance model has been adapted to the glacierized area in Norway using temperature and precipitation data from seNorge (http://www.senorge.no) and potential solar radiation as input. The data from seNorge are available for the whole country on a 1 km horizontal grid and on a daily time step from 1957 to present. The gridded data from seNorge are evaluated using winter mass balances at point locations on glaciers in different regions across the country. Results indicate that the seNorge data are suitable for mass-balance modeling, but further adjustment of the precipitation data should be performed. The modeled mass balances for the glacierized area of Norway yield a overview of spatial averaged glacier mass balance from 1961-2010. Seasonal mass balances show large year-to-year variability. Nevertheless, the winter and annual glacier mass balance show positive trends over 1961-2000 followed by a remarkable decrease in both summer and winter balances in the years 2000-2010 resulting in an average annual mass balance of close to -1 m w.e. (water equivalent) a-1 for the first decade of the 21st century. The mass balance sensitivities to temperature and precipitation variations are much larger for glaciers in maritime than for continental climate conditions. Despite the large extent of the Norwegian mainland from north to south, the mass balance sensitivities to temperature and precipitation changes show a stronger gradient from west to east. For the period 1961-2012, discharge is modeled for three catchments with a glacierization between 50-70 % situated along a west-east profile in southern Norway. The model simulations reveal an increase of the relative contribution from glacier melt to discharge from less than 10 % in the early 1990s to 15-30 % in the late 2000s. The decline in precipitation by 10-20 % in the same period was therefore overcompensated by increased glacier melt resulting in an increase of the annual discharge by 5-20 %. Discharge from the westernmost glacier catchment is most sensitive to changes in precipitation. In contrast, discharge from the easternmost catchment is most sensitive to changes in summer temperatures where glacier melt has become a large contributor to discharge during summer. Especially for more continental glaciers in Norway, this may lead to reduced summer discharge when their glacier area continues to decrease. For the three studied catchments, the increasing continentality from west to east yields larger differences in glacier mass balance, specific discharge and sensitivities to changes in temperature or precipitation than differences in catchment size or glacier coverage. However, plateau glaciers may have the largest potential to discharge changes in the future, when ongoing temperature rise continues. Furthermore, an assessment of meltwater contribution to discharge is performed for a catchment area in northern India. For this purpose, the glacier mass-balance model is implemented in a large-scale hydrological model that simulates discharge. The catchment area has a size of 5406 km2 of which 14 % is permanently covered with snow or ice. During the period 1997-2001, the contribution of glacier- and snowmelt in this catchment was accounting on average for 41 % of the annual discharge. The model results are an analysis of variations in the past, but can also serve to discuss changes in the present and prospective evolutions of glaciers and their impact on discharge from glacierized catchments in connection to further climate changes.

Isbreer er et av de naturlige fenomenene som oftest brukes for å illustrere den pågående globale oppvarmingen. Breutløp som trekker seg tilbake og isbreer som krymper observeres over hele verden. Volumendringer av isbreer påvirker både avrenningsregimet i elver nedstrøms, samt havnivået. I Norge er isbreer og tilhørende avrenning spesielt viktig, fordi energisektoren er basert på vannkraft. Fordelingen av massebalanse- og avrenningsmålinger gjenspeiler derfor ofte både i rom of tid kravene til vannkraftens utnyttelse. I denne studien blir massebalansen på breer i Norge og tilhørende avrenninger undersøkt, og i tillegg romlige og tidsmessige variasjoner. En modell for å beregne massebalanser er justert til å passe til hele landets breområdet. Modellen bruker temperatur- og nedbørsdata fra seNorge (http://www.senorge.no) og potensiell solstråling som inndata. SeNorge-dataene er tilgjengelige for hele Norge i en horisontal oppløsning på 1 km og som døgnverdier fra 1957 til i dag. SeNorge-dataene evalueres ved å sammenligne modellert vintermassebalanser og punktmålinger fra isbreer i ulike regioner av landet. Resultatene viser at seNorge-data er egnet for massebalansemodellering, men ytterligere tilpassing av nedbørsdata anbefales. De modellerte massebalansene gir en oversikt over breers massebalanse for hele det norske breområdet i perioden 1961-2010. Massebalansene viser store årlige svingninger. Likevel viste både vinter- og nettobalansene en positiv utvikling i tidsrommet 1961-2000 fulgt av en påfølgende betydelig nedgang i både sommer- og vinterbalanser i årene 2000-2010. Dette førte til en markant negativ nettobalanse og en gjennomsnittlig minking i bretykkelse på omtrent 1 m årlig i denne perioden. Massebalansen til breer som befinner seg i et maritimt klima er mer følsomme for temperatur- og nedbørsendringer, enn de som ligger lengre inne i landet. Selv om det norske fastlandet er langstrakt fra nord til sør, er forskjellene i massebalansesensitivitet størst fra vest til øst. I tillegg ble vannføringen samt til bidraget av smeltevann modellert for tre avløpsfelt langs et vest-øst profil over langfjellet: Ålfotbreen, Nigardsbreen og Storbreen. Avløpsfeltene har en isbreandel på mellom 50-70 %. Modellsimuleringene viser en økning av relativt bidrag til bresmelting, fra en prosentandel på mindre enn 10 % i begynnelsen av 1990-tallet, til 15-30 % i slutten av 2000-tallet. Nedgangen i nedbør på 10-20 % i samme periode ble mer enn oppveid av den økte bresmelting, som førte til i en økning av årlig avrenning på 5-20 %. Avrenningen fra Ålfotbreen, det vestligste avløpsfeltet, er mest følsom for endringer i nedbør. Avrenning fra Storbreen, det østligste avløpsfeltet, er på sin side mest følsom til endringer i sommertemperatur. I dette område har bresmeltingen blitt en betydelig del av sommerens avrenning. Etter hvert som breområdene fortsetter å krympe, kan imidlertid breene østafjells oppleve en redusert avrenning i sommermånedene. Klimaforskjellene fra øst til vest fører til at de tre overnevnte avløpsfeltene har større ulikheter i massebalanse, da spesielt i forbindelse med avrenning og sensitiviteten for temperatur- og/eller nedbørsendringer, enn ulikheter knyttet til størrelsen på avløpsfelt eller relativ breprosenten. Dersom temperaturene fortsetter å stige, kan imidlertid platåbreer ha det største potensialet for avrenningsendringer i fremtiden. Til sist vurderes bidraget av smeltevann til vannføringen i et avløpsfelt i Nord-India. Massebalansemodellen blir knyttet til en hydrologisk modell som simulerer vannføring. Avløpsfeltet har en størrelse på 5406 km2 hvorav 14 % er permanent dekket med snø eller is. I årene 1997-2001 bidro bre- og snøsmelting i dette avløpsfeltet til gjennomsnittlig vannføring på 41 % årlig. Modellresultatene kan brukes til å analysere variasjoner i fortid, pågående forandringer i nåtiden og kan også være nyttig for å estimere fremtidige utviklinger av breer og deres innvirkning på vannføring i forbindelse med ytterligere klimaendringer.