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Stress-Gradient Coupling in Glacier Flow: II. Longitudinal Averaging in the Flow Response to Small Perturbations in Ice Thickness and Surface Slope*

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Keith A. Echelmeyer
Affiliation:
Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, U.S.A.
Barclay Kamb
Affiliation:
Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, U.S.A.
Barclay Kamb
Affiliation:
Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, U.S.A.
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Abstract

As a result of the coupling effects of longitudinal stress gradients, the perturbations ∆u in glacier-flow velocity that result from longitudinally varying perturbations in ice thickness ∆h and surface slope ∆α are determined by a weighted longitudinal average of ϕ h h and ϕ α∆α, where ϕh and ϕ α are “influence coefficients” that control the size of the contributions made by local ∆h and ∆α to the flow increment in the longitudinal average. The values of ϕh and ϕα depend on effects of longitudinal stress and velocity gradients in the unperturbed datum state. If the datum state is an inclined slab in simple-shear flow, the longitudinal averaging solution for the flow perturbation is essentially that obtained previously (Kamb and Echelmeyer, 1985) with equivalent values for the longitudinal coupling length l and with ϕ h = n + 1 and ϕ α + n, where n is the flow-law exponent. Calculation of the influence coefficients from flow data for Blue Glacier, Washington, indicates that in practice ϕα differs little from n, whereas ϕh can differ considerably from n + 1. The weighting function in the longitudinal averaging integral, which is the Green’s function for the longitudinal coupling equation for flow perturbations, can be approximated by an asymmetric exponential, whose asymmetry depends on two “asymmetry parameters” μ and σ, where μ is the longitudinal gradient of ℓ(= dℓ/dx). The asymmetric exponential has different coupling lengths ℓ+ and ℓ for the influences from up-stream and from down-stream on a given point of observation. If σ/μ is in the range 1.5–2.2, as expected for flow perturbations in glaciers or ice sheets in which the ice flux is not a strongly varying function of the longitudinal coordinate x, then, when dℓ/dx > 0, the down-stream coupling length ℓ+ is longer than the up-stream coupling length ℓ, and vice versa when dℓ/dx < 0. Flow-, thickness- and slope-perturbation data for Blue Glacier, obtained by comparing the glacier in 1957–58 and 1977–78, require longitudinal averaging for reasonable interpretation. Analyzed on the basis of the longitudinal coupling theory, with 4ℓ + 1.6 km up-stream, decreasing toward the terminus, the data indicate n to be about 2.5, if interpreted on the basis of a response factor Ѱ + 0.85 derived theoretically by Echelmeyer (unpublished) for the flow response to thickness perturbations in a channel of finite width. The data contain an apparent indication that the flow response to slope perturbations is distinctly smaller, in relation to the response to thickness perturbations, than is expected on a theoretical basis (i.e. ϕα/ ϕh + (n/n + 1) for a slab). This probably indicates that the effective ℓ is longer than can be tested directly with the available data set owing to its limited range in x.

Résumé

Résumé

Comme résultat des effets de couplage des gradients de contrainte, les perturbations ∆u de vitesses d’écoulement du glacier qui résultent des perturbations variables longitudinalement dans l’épaisseur de glace ∆h et dans la pente de surface ∆α, sont déterminées par une pondération longitudinale de la moyenne de ϕh h et ϕα∆α, où ϕh , et ϕα sont des “coefficients d’influence” qui contrōlent l’importance des contributions produites par les variations locales ∆h et ∆α, à une augmentation d’écoulement dans une moyenne longitudinale. Les valeurs de ϕh et ϕ α dépendent des effets des gradients de contraintes longitudinales et de vitesses par rapport à un état repère non perturbé. Si l’état de référence est une couche inclinée en écoulement de cisaillement simple, la solution de moyenne longitudinale pour la perturbation d’écoulement est essentiellement celle obtenue antérieurement (Kamb et Echelmeyer, 1986) avec des valeurs équivalentes pour la longueur ℓ de couplage longitudinal et avec ϕh = n + 1 et ϕα = n, où n est l’exposant de la loi de fluage. Des calculs des coefficients d’influence à partir des données du Blue Glacier, Washington, indiquent qu’en pratique ϕ α ne diffère que peu de n bien que ϕh puisse s’écarter considérablement de n + 1. La fonction de pondération dans l’intégrale de moyenne longitudinale, qui est une fonction de Green pour équation de couplage longitudinal de perturbation d’écoulement, peut-être approchée par une exponentielle asymétrique, dont l’asymétrie dépend de deux “paramètres d’asymétrie μ et σ, où μ est le gradient longitudinal de ℓ (= dℓ/dx). L’exponentielle asymétrique possède deux longueurs différentes de couplage ℓ+ et ℓ pour l’influence d’amont et d’aval sur un point donné d’observation. Si σ/μ varie de 1,5 à 2,2, comme prévu pour des perturbations d’écoulement dans des glaciers ou des nappes de glaces pour lesquels le flux de glace n’est pas une fonction étroitement lié à la coordonnée longitudinale x, alors, quand dℓ/dx > 0, la longeur de couplage aval ℓ+ est supérieure à celle amont ℓ, et vice versa quand dℓ/dx < 0. Les données des perturbations d’écoulement, d’épaisseur et de pente, obtenues par comparaison des états de 1957–58 à celui de 1977–78 nécessitent un moyenage longitudinal pour une interprétation raisonnable. Analysés dans l’optique de la théorie de couplage longitudinal, avec 4ℓ = 1,6 km à l’amont et décroissant vers le front, les données conduisent à un n voisin de 2,5, dans le cas ou l’interprétation est conduite sur la base d’un facteur de réponse Ѱ = 0,85 obtenu théoriquement par Echelmeyer (non publié) pour la réponse de l’écoulement aux perturbations dans un chenal de largeur non-infinie. Les données contiennent une indication apparente qui conduit à réponse d’écoulement aux perturbations de pente nettement moindre par rapport à celle due aux perturbations d’épaisseur, que celle qui est attendue selon la théorie (c’est-à-dire: ϕ α/ϕh = n/(n + 1) pour en plaque). Ceci indique probablement que la longueur effective ℓ est plus grande que celle qui peut être testée directement sur les données disponibles compte tenu de leur domaine limité en x.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Als ein Ergebnis des Kopplungseffekts longitudinaler Spannungsgradienten werden die Störungen ∆u in der Gletscherfliessgeschwindigkeit, die von longitudinal schwankenden Störungen der Eisdicke ∆h und der Oberflächenneigung ∆α verursacht werden, durch ein gewichtetes, longitudinales Mittel von ϕh h und ϕα ∆α bestimmt, wobei ϕh und ϕα “Einflusskoeffizienten” bedeuten, die das Ausmass der Beiträge durch lokale ∆h und ∆α zum Flussinkrement im longitudinalen Mittel regeln. Die Werte von ϕh und ϕα hängen von Auswirkungen der Längsspannung und Geschwindigkeitsgradienten im ungestörten Ausgangszustand ab. Wenn der Ausgangszustand eine geneigte Tafel mit einfachem Scherfluss ist, stimmt die longitudinal mittelnde Lösung für die Flussstörungen im wesentlichen mit der überein, die bereits früher (Kamb and Echelmeyer, 1986) erhalten wurde, jedoch mit äquivalenten Werten für die longitudinale Kopplungslänge ℓ und mit ϕh = n + 1 und ϕ α = n, wobei n den Exponenten des Fliessgesetzes bedeutet. Die Berechnung der Einflusskoeffizienten aus Fliessdaten für den Blue Glacier, Washington, zeigt, dass in der Praxis ϕα nur wenig von n verschieden ist, während ϕh beträchtlich von n + 1 abweichen kann. Die Gewichtsfunktion im longitudinal mittelnden Integral, die Green’s Funktion für die longitudinale Kopptungsgleichung für Flussstörungen ist, kann durch einen asymmetrischen Exponentialausdruck angenähert werden, dessen Asymmetrie von zwei “Asymmetrie-Parametern” μ und σ abhängt, wobei μ den longitudinalen Gradienten von ℓ (= dℓ/dx) darstellt. Der asymmetrische Exponentialausdruck hat unterschiedliche Kopplungslängen ℓ+ und ℓ für die Einflüsse von stromaufwärts und stromabwärts auf einen bestimmten Beobachtungsort. Wenn σ/μ im Bereich von 1,5–2,2 liegt, wie man für Fliessstörungen in Gletschern oder Eisdecken erwarten kann, in denen der Einfluss nicht stark mit der Längskoordinate x schwankt, und wenn dℓ/dx > 0, dann ist die Kopplungslänge ℓ+ stromabwärts länger als ℓ; das umgekehrte gilt, wenn dℓ/dx < 0. Daten für Fluss-, Dickeund Neigungsstörungen am Blue Glacier, die aus Vergleichen des Gletschers in den Perioden 1957/58 und 1977/78 gewonnen wurden, erfordern longitudinale Mittelung, wenn sie vernünftig interpretiert werden sollen. Bei einer Analyse auf der Basis der longitudinalen Kopplungstheorie mit 4ℓ = 1,6 km stromaufwärts, abnehmend gegen das Gletscherende, ergeben die Daten für n einen Wert von etwa 2,5; der Interpretation liegt ein Reaktionsfaktor Ѱ = 0,85 zugrunde, der theoretisch von Echelmeyer (unveröffentlicht) für die Flussreaktion auf Dickestörungen in einem Kanal von begrenzter Weite hergeleitet wurde. Die Daten enthalten offensichtlich einen Hinweis darauf, dass die Flussreaktion auf Neigungsstörungen im Vergleich zu der auf Dickestörungen deutlich kleiner ist, als man theoretisch erwarten kann (d.h. ϕα /ϕh = n/(n +1) für eine Platte). Dies lässt vermuten, dass die effektive Länge ℓ grösser ist als der mit den verfügbaren Daten bestimmbare Wert; der Bereich in x erscheint dafür zu beschränkt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig. 1. Coordinate system and flow geometry assumed in analysis of effects of longitudinal coupling on the flow response to perturbations in ice thickness h(x) and surface slope α(x). The flow is two-dimensional (plane strain), and the diagram is drawn in the plane of strain, containing the local flow vectors. The x-axis has inclination angle γ in the flow plane: γ is chosen to minimize the departure angle δ(x). ū(x) is the mean flow velocity in the x direction, averaged over the local ice thickness.

Figure 1

Fig. 3. Flow perturbation data for Blue Glacier. (a) Perturbations in flow velocity u1/u0 (expressed as percentage change) are plotted against the corresponding local perturbations in ice thickness h1/h0. The associated local perturbations in surface slope α10, in per cent (measured over a longitudinal interval of 350–500(m centered on each data location), are given alongside each data point. The perturbation quantities are calculated logarithmically from the observed flow and surface profile in 1957–58 and 1977–78 as explained in the text. Data are from Echelmeyer (unpublished). (b) Plot of perturbation data after performing symmetric longitudinal averaging of thickness and slope perturbations according to Equation (24), with averaging length 4ℓ = 1.6(km in Equation (A-21). The averaged values <α10> are given, in per cent, alongside each data point.

Figure 2

Fig. 2. Schematic representation of asymmetric weighting functions for longitudinal averaging of the effects of perturbations in ice thickness and slope on the flow response. The scheme used is explained by the upper diagram, which shows a plot of the asymmetric weighting function in Equation (17) (here designated as W in Figure 12) as a function of x′ around a particular “point of observation” x, for a particular choice of vµ (= 0.55). In the lower diagram, such plots of W(x′) are shown schematically around five points x1 … xδ. The weighting for averaging around x4 is approximately symmetrical, while for the other points it is distinctly asymmetrical: the diagram shows the sense of asymmetry expected near the head and terminus, and near an ice fall.

Figure 3

Fig. 12. Comparison of Green’s functions for σ/µ = 9/4. as in Figure 9. The dotted curves are the exact Green’s functions, the dashed curves are asymmetric exponentials with v = 1, from Equation (A-24). and the solid curves are symmetric exponentials. Scaling and other details are as explained in figure 13 of Part 1.

Figure 4

Fig. 9. Comparison of exact Green’s functions (dotted curves) for σ/µ = 3/2 with symmetric exponentials (solid curves) and asymmetric exponentials with ν = ; (dashed curves). These curves are calculated from Equations (A-20), (A-21). and (A-24). respectively, with ℓ taken equal to µz. Detailed explanation as in figure 13 of Part

Figure 5

Fig. 13. Green’s function for σ/µ = 9/4, µ = 1/4, as in Figure 10. The dotted curves give the exact Green’s function as in Equation (A-26), and the solid curves the asymmetric exponential representation for v = 1, from Equation (A-24).

Figure 6

Fig. 10. Green’s function for σ /µ = 3/2. µ = 1/4. shown in terms of functions of ξ for four separate values of x. The dotted curves are the exact Green’s function as in Equation (A-23). and the solid curves are its approximation by asymmetric exponentials from (Equation ma24a). scaled to the same peak heights. Detailed explanation as in figure 14 of Part I.

Figure 7

Fig. 8. Exact Green’s functions for linearly varying ℓ(x) with σ/µ = 3/2, from Equation (A-20), for several different values of µ. Detailed explanation as in Figure 12 of Part I.

Figure 8

Table 1. Asymmetrical Averaging Lengths ℓand ℓ+

Figure 9

Fig. 7. Flow perturbation u1/u0 for Blue Glacier plotted as a function of thickness perturbation ĥ1/h0 given by the linear trend in Figure 6 evaluated at the points of observation. The open circle is for the B-profile point, re-plotted at the local value of h1/h0. The regression line has slope 4.35 and ordinate intercept −14%.

Figure 10

Table 2. Datum-State Effects on Influence Coefficients for Blue Glacier

Figure 11

Fig. 4. Flow perturbation data for Blue Glacier plotted in terms of the perturbation variables U and П(in per cent) according to the framework provided by longitudinal coupling theory in Equations (29)–(31). The quantities UL and ПL plotted in (a) are calculated according to the format of Equations (29) and (30) but without longitudinal averaging, while in (b). U and П are calculated with longitudinal averaging as specified in Equations (29) and (30). The local values of and vh used in calculating П for the data points are listed in Table II. The longitudinal averaging parameters ℓ± are given in the text. The open circle is the result of a symmetric longitudinal average with 4ℓ = 1.0 km for the B-profile point, showing the sensitivity of this result to the choice of averaging parameters.

Figure 12

Fig. 5. Blue Glacier perturbation data in terms of the modified variable П’ in Equation (32). with a slope-response factor Φ = 0.35.

Figure 13

Fig. 6. Variation of the perturbations h1/h0 and α10, with longitudinal coordinate x in Blue Glacier. The dashed line is a linear regression fitted to the h1/h0 values. Data from Echelmeyer (unpublished).

Figure 14

Fig. 11. Exact Green’s functions for σ/µ = 9/4, plotted as in Figure 8, from Equation (A-25).