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A Numerical Model of Temperate Glacier Flow Applied to the Quiescent Phase of a Surge-Type Glacier

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Robert Bindschadler*
Affiliation:
Oceans and Ice Branch, Code 912.1, NASA/Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, U.S.A.
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Abstract

A time-dependent numerical model of temperate glacier flow without sliding is developed and applied to the quiescent phase of surge-type Variegated Glacier, Alaska. The model is based on a one-dimensional continuity equation but the transverse channel shape is explicitly included allowing the complex geometries of real glaciers to be modelled. Velocities and volume fluxes are calculated from the glacier geometry. Transverse stress is taken into account by shape factors which are fitted to measurements of geometry and velocity and are chosen to be insensitive to changes in geometry. Longitudinal stress gradients are taken into account by use of a large-scale surface slope. A Crank-Nicholson finite-difference approximation is used and it is unconditionally stable when a small contribution from the local slope is added to the average slope.

Model parameters are fitted to extensive data collected on Variegated Glacier in 1973 and 1974. Predictions of the model over a four year interval agree well with field measurements. Predictions of the current quiescent phase (1965–84) indicate depth increases in the upper glacier of more than 75 m with a twenty-fold increase in the volume flux. During this interval the base shear stress increases 40% in the upper glacier and decreases 20% in the lower glacier. During the mid to late quiescent phase, ice motion becomes more important than mass balance in the redistribution of mass over the central region of the glacier. If normal flow were to persist, the predicted steady-state profile would be an average of 100 m deeper and 41% more voluminous than in 1973.

The predicted base shear-stress gradient is never negative enough to satisfy Robin and Weertman’s (1973) condition for blockage of subglacial water flow. The annual rate of water production by dissipation of mechanical straining at the bed remains two orders of magnitude below that produced by summer surface melt. The predicted fractional increase in base stress during the quiescent phase is a maximum in the region believed to be the trigger zone of the surges.

Un modèle numérique de l’écoulement d’un glacier tempèrè et son application à la phase de repos d’un glacier à crue. Un modèle numérique à variable temporelle de l’écoulement d’un glacier tempéré sans glissement a été développé et appliqué à la phase de repos du glacier à crue Variegated Glacier, Alaska. Le modèle est basé sur une équation de continuité à une dimension mais la forme des profils en travers du chenal est explicitement prise en compte ce qui permet de reproduire les géométries complexes des glaciers réels. Les vitesses et les débits sont calculés à partir de la forme du glacier. La contrainte transversale est prise en compte par des facteurs de forme qui sont adaptés aux mesures de géométrie et de vitesse et sont choisis pour être insensibles aux changements de géométrie. Les gradients de contrainte longitudinale sont pris en compte en utilisant une grande échelle de pente superficielle. On utilise une approximation aux différences finies de Crank-Nicholson et elle est toujours stable lorsqu’une petite variation de pente locale vient s’ajouter à la pente moyenne.

Les paramètres du modèle sont ajustés grâce aux abondantes données recueillies sur Variegated Glacier en 1973 et 1974. Les prévisions tirées du modèle pour un intervalle de quatre ans concordent bien avec les mesures sur le terrain. Les prévisions pour l’actuelle phase de repos ( 1965–84) indiquent des accroissements d’épaisseur de la partie haute du glacier de plus de 75 m avec une multiplication par vingt du débit. Pendant cette période la contrainte de cisaillement à la base augmente de 40% dans le haut du glacier et décroît de 20% dans le bas. Pendant le milieu et la fin de la phase de repos le mouvement de la glace devient plus important que le bilan pour la redistribution des masses dans la région centrale du glacier. Si l’écoulement normal devait persister, le profil prévu au stade d’équilibre serait en moyenne de 100 m plus épais et de 41% plus volumineux que celui de 1973.

Le gradient prévu pour la contrainte de cisaillement à la base n’est jamais assez négatif pour satisfaire à la condition de Robin et Weertman (1973) pour le blocage de l’écoulement d’eau sous-glaciaire. Le taux annuel de production d’eau par dissipation d’énergie mécanique le long du lit reste de deux ordres de grandeur en dessous de celui dû à la fusion estivale en surface. L’accroissement partiel prévu des efforts à la base est maximum dans la région que l’on croit être celle du déclenchement des crues subites

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Ein numerisches Modell für das Fliessen temperierter Gletscher und seine Anwendung auf die Ruhephase eines ausbrechenden Gletschers. Für den Fluss temperierter Gletscher ohne Gleiten wird ein zeitabhängiges numerisches Modell entwickelt und auf die Ruhephase des ausbrechenden Variegated Glacier, Alaska, angewandt. Das Modell beruht auf einer eindimensionalen Kontinuitätsgleichung, enthält jedoch explizit das Querprofil des Gletscherbettes und erlaubt damit die Berücksichtigung der komplizierten Geometrie wirklicher Gletscher. Geschwindigkeiten und Massenfluss werden aus der Gletschergeometrie hergeleitet. Querspannungen werden durch Formparameter berücksichtigt, die sich aus Messungen der Geometrie und Geschwindigkeit ergeben und so gewählt werden, dass sie gegen Änderungen der Geometrie unempfindlich sind. Gradienten der Längsspannungen werden aus der Oberflächenneigung im grossen hergeleitet. Es wird eine Crank-Nicholson-Näherung mit finiten Differenzen angewandt, die ohne Einschränkung stabil ist. wenn kleine, lokale Neigungsänderungern zur mittleren Neigung hinzugefügt werden.

Die Modellparameter wurden den extensiven Daten angepasst, die am Variegated Glacier 1973 und 1974 gewonnen wurden. Die Vorhersagen des Modells über einen Zeitraum von vier Jahren stimmen gut mit den Feldbeobachtungen überein. Vorhersagen für die laufende Ruhephase (1965–84) lassen Dickenzunahmen von mehr als 75 m im Oberteil des Gletschers erwarten, verbunden mit einer 20-fachen Zunahme des Volumenflusses. In dieser Phase wächst die Scherspannung am Untergrund im oberen Gletscher um 40% an und nimmt im unteren Gletscher um 20% ab. Um die Mitte und gegen das Ende der Ruhephase ist für die Umverteilung der Eismassen im Zentralbereich des Gletschers die Eisbewegung von grösserer Bedeutung als die Massenbilanz. Würde die Normalbewegung anhalten, so wäre das vorausberechnete stationäre Profil im Mittel 100 m dicker und 41% voluminöser als 1973.

Der berechnete Gradient der Scherspannung am Untergrund ist niemals so stark negativ, dass er die Bedingung von Robin und Weertman (1973) für die Unterbrechung des subglazialen Wasserflusses erfüllen würde. Die Jahresrate der Wasserproduktion durch Umwandlung mechanischer Spannungen am Gletscherbett bleibt zwei Grössenordnungen unter der Produktion von Oberflächenschmelzwasser im Sommer. Die vorausberechnete anteilige Zunahme der Spannung am Untergrund während der Ruhephase hat ihr Maximum in jenem Gebiet, das für die Auslösezone der Ausbrüche gehalten wird.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1982
Figure 0

Fig. 1. Coordinate system. Glacier geometry is specified by bed elevations, Yi and ice depths, Hi at coordinates Xi. Changes in ice depth are determined from continuity equation using calculated volume fluxes Qi±½, mass balance ai, and channel shape (not shown).

Figure 1

Fig. 2. Boundary conditions developed for model. See text for description of each case.

Figure 2

Fig. 3. Steady-state configuration for test glacier model with diffusion and ϕ = 0. Upper plot is longitudinal profiles of centre-line bed and ice-surface elevations (vertical exaggeration, 5:1). Lower plot shows longitudinal profiles of depth, volume flux, and center-line surface velocity.

Figure 3

Fig. 4. Temporal response of test glacier (Fig. 3) to: (a) addition of one meter slab at t = 0 years, and (b) uniform mass-balance increase of 0.1 m year−1 (ice equivalent). Depths are shown as deviations from equilibrium depths (Fig. 3). EQL marks equilibrium-line position.

Figure 4

Fig. 5. Motion of Gaussian hump on uniform slab without diffusion. Depths are expressed as deviations from equilibrium depth (300 m). Successive profiles are vertically offset. Dashed line shows velocity of hump maximum is 117 ± 2 m year−1.

Figure 5

Fig. 6. Motion of Gaussian hump on uniform slab with diffusion. Depths are expressed as deviations from equilibrium depth (300 m). Successive profiles are vertically offset. Dashed line shows velocity of hump maximum is 120 ± 2 m year−1.

Figure 6

Fig. 7. Variegated Glacier. Vertical ice depth measured from surface at center-line and longitudinal profiles of surface elevation (June 1973) and nominal bed elevation at center-line. Dashed portions indicate where data were interpolated.

Figure 7

Fig. 8. Profiles of width-averaged mass balance of Variegated Glacier from 1972 through 1976. Dashed portions indicate where data were interpolated.

Figure 8

Fig. 9. Velocity shape factor, f1: ____________, from Nye (1965) assuming a parabolic cross section and n = 3; __________, required by measured surface velocity (Equation (11’)) assuming two flow laws (A = 0.148 bar−n year−1, n = 4.2 and A = 0.087 bar−n year−1, n = 3).

Figure 9

Fig. 10. Flux shape factor, fi*:-------, from Nye (1965) assuming a parabolic cross section; □, from width averaged surface velocity at measured cross sections, ---, inferred from elevation changes and net balance (Equations (2) and (8));______, idealized estimate, see text.

Figure 10

Fig. 11. Comparison of elevation change from June 1973 datum to September 1976 for measured data (•), fitted polynomial (----), and model prediction (________).

Figure 11

Fig. 12. Predicted depth deviation profiles from June 1973 datum for the times −8(1965),0(1973), + 11(1984), +21, +51, and +150 years since 1973.

Figure 12

Fig. 13. Predicted volume flux profiles for depth profiles shown in Figure 12.

Figure 13

Fig. 14. Predicted center-line velocity profiles for depth profiles shown in Figure 12.

Figure 14

Fig. 15. Smoothed base shear stress (Equation (17), two kilometer average) for depth profiles shown in Figure 12.

Figure 15

Fig. 16. Profiles of F parameter (Equation (18)) for depth profiles shown in Figure 12: -------,−8(1965);---, 0(1973);_______, +11;(1984);_________, +21; , +150 years since 1973, and , −|å|.

Figure 16

Fig. 17. Longitudinal profiles of calculated negative base-stress gradient in 1973 and 1984 compared to −∆τ/∆x required to block flow of basal water (Equation 19).

Figure 17

Fig. 18. Fractional change in base shear stress (Fig. 15) from 1973 to 1965 and from 1973 to 1984.