Variabilité saisonnière de l'écoulement des glaciers groenlandais : observations par satellite et modélisation numérique pour étudier les processus moteurs

Seasonal flow variability of Greenlandic glaciers : satellite observations and numerical modeling to study driving processes

• Auteur / Autrice : Anna Derkacheva
• Direction : Jérémie Mouginot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gagliardini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Seroussi, Andreas Kääb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glaciers

Variations saisonnières

Télédétection en sciences de la Terre

Mots clés libres

Télédétection

Variations saisonnières

Processus physiques

Glacier

Groenland

Remote sensing

Seasonal variations

Physical processes

Glacier

Greenland

Résumé

Les changements récents de la vitesse d'écoulement des glaciers ont une grande influence sur la perte de masse actuelle de la calotte glaciaire du Groenland. Les processus à l'origine de la variabilité de l'écoulement à différentes échelles de temps, ainsi que les conséquences et les rétroactions associées, ne sont pas encore entièrement compris. Ceci est partiellement dû au fait que le manque d'observations fréquentes, précises et à grande échelle limite le développement des modèles numériques. Il est particulièrement difficile de résoudre les fluctuations saisonnières de vitesse, mais il est crucial de mieux contraindre les processus physiques contrôlant l'écoulement de la glace.Cette thèse se concentre donc sur (i) les difficultés qui existent dans l'établissement de séries temporelles saisonnières robustes de la vitesse de surface des glaciers du Groenland à partir d'observations satellitaires, et (ii) l'utilisation de ces séries temporelles dans les modèles numériques pour une meilleure compréhension des facteurs affectant l'écoulement.Les satellites sont capables de couvrir de vastes zones en un temps relativement court et de manière uniforme. Les séries temporelles continues avec une résolution temporelle saisonnière n'ont commencé à être utilisées que récemment, en raison du nombre limité d'acquisitions d'images réalisées auparavant. De plus, les séries temporelles des vitesses dérivées de capteurs individuels restent temporellement incomplètes et relativement bruitées. En combinant trois satellites appropriés (Landsat-8, Sentinel-2 et Sentinel-1) sur trois sites d'étude au Groenland (le secteur de Russell, Upernavik Isstrøm et Petermann Gletscher), nous démontrons qu'il est possible d'obtenir des séries temporelles continues sur toute l'année. Nous montrons également ici qu'en appliquant un post-traitement basé sur la redondance des données à ces ensembles de mesures multi-capteurs, nous sommes en mesure d'obtenir un suivi du mouvement de la surface de la glace avec une résolution temporelle d'environ 2 semaines et une précision moyenne d'environ 10 m/an. Avec de tels paramètres, nous pouvons résoudre la variabilité saisonnière des glaciers du Groenland où les études précédentes n'ont eu qu'un succès limité.L'élaboration de modèles numériques fiables représentant correctement les processus affectant l’écoulement de la glace nécessite des observations appropriées pour leurs calibrations et validations. Dans le secteur autour de Russell Gletscher, nous explorons la capacité d'une méthode de modélisation numérique existante à utiliser avantageusement les séries temporelles obtenues précédemment pour en déduire les variations saisonnières des conditions sous-glaciaires. Il est largement reconnu qu'ils exercent un contrôle majeur sur la variabilité des débits, cependant, malgré des développements théoriques et de modélisation récente, la contrainte du processus in situ reste une question clé en glaciologie. En appliquant la méthode de contrôle inverse mis en œuvre en modèle d’écoulement glaciaire Elmer/Ice sur des cartes de vitesse bimensuel, nous estimons l'évolution tout au long de l'année de la vitesse de glissement basale des glaciers, de la traction basale et de la pression d'eau sous-glaciaire avec une résolution spatiale détaillée. Notre analyse montre que ces résultats peuvent être utilisés avec succès pour révéler le fonctionnement de l'environnement sous-glaciaire sur différentes échelles de temps et son influence sur la vitesse des glaciers. Ces résultats pourraient également servir de validation intermédiaire pour des modèles couplés plus complexes entre l'écoulement glaciaire et l’hydrologie sous-glaciaire.

The recent changes of outlet glaciers flow speed have vast control of the undergoing mass loss of the Greenland ice sheet. The processes driving the flow variability on different time scales, as well as the associated consequences and feedbacks, are not yet entirely understood. This is partly because the lack of frequent, precise, and large-scale observations limits the development of the numerical models. It is particularly difficult to resolve seasonal speed fluctuations, yet it is crucial to better constrain the physical processes controlling the ice flow.This thesis aims to address (i) the difficulties that exist in establishing robust seasonal time-series of Greenland glacier surface velocities from satellite observations, and (ii) the use of these time-series in numerical models for better understanding of the flow drivers.Satellites are able to cover large areas in a relatively short time and uniform way. Continuous time-series with seasonal temporal resolution have only started to be used recently, due to the limited number of image acquisitions made previously. Nevertheless, the time-series of ice surface velocity derived from individual sensors remain temporally incomplete and relatively noisy. Taking together three suitable satellites (Landsat-8, Sentinel-2, and Sentinel-1) across three case study sites in Greenland (Russell sector, Upernavik Isstrøm and Petermann Gletscher), we demonstrate that it is possible to obtain continuous year-around time-series only by combining results from multiple satellites. It is also shown here that by applying post-processing based on the data redundancy to such multi-sensor datasets, we are able to achieve persistent tracking of ice surface motion with a temporal resolution of about 2 weeks and mean accuracy of about 10 m/yr. With such parameters, we can resolve the seasonal variability of greenlandic glaciers where previous studies had limited success.Elaboration of reliable numerical models which would correctly represent the ice flow processes requires suitable observations for the calibration and validation. In the land-terminating sector around Russell Gletscher, we explore the ability of an existing numerical modelling method to use advantageously the obtained high-frequency satellite-derived maps of surface velocity to infer seasonal variations in subglacial conditions. It is widely recognized that they exert a major control on the flow variability, however, despite recent theoretical and modelling developments, constraining the processes in situ remains a key question in Glaciology. By applying the inverse control method implemented in Elmer/Ice on biweekly velocity maps, we estimate the year-around evolution of glacier basal sliding speed, basal traction, and subglacial water pressure with an unprecedented spatial and temporal resolution. Our analysis shows that such results can be successfully used to reveal the functioning of the subglacial environment over different timescales and its influence on glacier speed. These results also could serve as an intermediate validation for more complex ice-flow/subglacial-hydrology coupled models.