• Energy Research

Abstract. Observations of glacier mass changes are key to understanding the response of glaciers to climate change and related impacts, such as regional runoff, ecosystem changes, and global sea level rise. Spaceborne optical and radar sensors make it possible to quantify glacier elevation changes, and thus multi-annual mass changes, on a regional and global scale. However, estimates from a growing number of studies show a wide range of results with differences often beyond uncertainty bounds. Here, we present the outcome of a community-based inter-comparison experiment using spaceborne optical stereo (ASTER) and synthetic aperture radar interferometry (TanDEM-X) data to estimate elevation changes for defined glaciers and target periods that pose different assessment challenges. Using provided or self-processed digital elevation models (DEMs) for five test sites, 12 research groups provided a total of 97 spaceborne elevation-change datasets using various processing approaches. Validation with airborne data showed that using an ensemble estimate is promising to reduce random errors from different instruments and processing methods but still requires a more comprehensive investigation and correction of systematic errors. We found that scene selection, DEM processing, and co-registration have the biggest impact on the results. Other processing steps, such as treating spatial data voids, differences in survey periods, or radar penetration, can still be important for individual cases. Future research should focus on testing different implementations of individual processing steps (e.g. co-registration) and addressing issues related to temporal corrections, radar penetration, glacier area changes, and density conversion. Finally, there is a clear need for our community to develop best practices, use open, reproducible software, and assess overall uncertainty to enhance inter-comparison and empower physical process insights across glacier elevation-change studies.

Résumé. Les observations des changements de masse des glaciers sont essentielles pour comprendre la réponse des glaciers au changement climatique et aux impacts connexes, tels que le ruissellement régional, les changements écosystémiques et l'élévation du niveau de la mer à l'échelle mondiale. Les capteurs optiques et radar spatiaux permettent de quantifier les changements d'élévation des glaciers, et donc les changements de masse pluriannuels, à l'échelle régionale et mondiale. Cependant, les estimations d'un nombre croissant d'études montrent un large éventail de résultats avec des différences souvent au-delà des limites d'incertitude. Ici, nous présentons les résultats d'une expérience intercomparaison communautaire utilisant des données d'interférométrie stéréo optique spatiale (ASTER) et radar à ouverture synthétique (TanDEM-X) pour estimer les changements d'altitude pour des glaciers définis et des périodes cibles qui posent différents défis d'évaluation. En utilisant des modèles d'élévation numériques (DEM) fournis ou autotraités pour cinq sites de test, 12 groupes de recherche ont fourni un total de 97 ensembles de données de changement d'altitude spatiaux en utilisant diverses stratégies de traitement. La validation avec des données aéroportées a montré que l'utilisation d'une estimation d'ensemble promet de réduire les erreurs aléatoires provenant de différents instruments et méthodes de traitement, mais nécessite toujours une enquête et une correction plus complètes des erreurs systématiques. Nous avons constaté que la sélection de la scène, le traitement DEM et le co-enregistrement ont le plus grand impact sur les résultats. D'autres étapes de traitement, telles que le traitement des vides de données spatiales, les différences de périodes d'enquête ou la pénétration radar, peuvent toujours être importantes pour des cas individuels. Les recherches futures devraient se concentrer sur la mise à l'essai de différentes implémentations d'étapes de traitement individuelles (par exemple, le co-enregistrement) et aborder les questions liées aux corrections temporelles, à la pénétration radar, aux changements de zone glaciaire et à la conversion de densité. Enfin, notre communauté a clairement besoin de développer les meilleures pratiques, d'utiliser des logiciels ouverts et reproductibles et d'évaluer l'incertitude globale afin d'améliorer les comparaisons et de renforcer les connaissances sur les processus physiques dans les études de changement d'altitude des glaciers. Resumen. Observar los cambios en la masa de los glaciares es clave para comprender la respuesta de los glaciares al cambio climático y los impactos relacionados, como la escorrentía regional, los cambios en los ecosistemas y el aumento global del nivel del mar. Los sensores ópticos y de radar transportados por el espacio permiten cuantificar los cambios de elevación de los glaciares y, por lo tanto, los cambios de masa plurianuales, a escala regional y global. Sin embargo, las estimaciones de un número creciente de estudios muestran una amplia gama de resultados con diferencias que a menudo van más allá de los límites de incertidumbre. Aquí, presentamos el resultado de un experimento de intercomparación basado en la comunidad que utiliza datos estéreo óptico a bordo del espacio (ASTER) e interferometría de radar de apertura sintética (TanDEM-X) para estimar los cambios de elevación para glaciares definidos y períodos objetivo que plantean diferentes desafíos de evaluación. Utilizando modelos digitales de elevación (DEM) proporcionados o autoprocesados para cinco sitios de prueba, 12 grupos de investigación proporcionaron un total de 97 conjuntos de datos de cambio de elevación a bordo del espacio utilizando varias estrategias de procesamiento. La validación con datos aéreos mostró que el uso de una estimación de conjunto es prometedor para reducir los errores aleatorios de diferentes instrumentos y métodos de procesamiento, pero aún requiere una investigación y corrección más exhaustivas de los errores sistemáticos. Descubrimos que la selección de escenas, el procesamiento de DEM y el corregistro tienen el mayor impacto en los resultados. Otros pasos de procesamiento, como el tratamiento de vacíos de datos espaciales, las diferencias en los períodos de encuesta o la penetración del radar, aún pueden ser importantes para casos individuales. La investigación futura debe centrarse en probar diferentes implementaciones de pasos de procesamiento individuales (por ejemplo, registro conjunto) y abordar cuestiones relacionadas con correcciones temporales, penetración de radar, cambios en el área de los glaciares y conversión de densidad. Finalmente, existe una clara necesidad de que nuestra comunidad desarrolle las mejores prácticas, use software abierto y reproducible y evalúe la incertidumbre general para mejorar la intercomparación y potenciar los conocimientos de los procesos físicos en los estudios de cambio de elevación de glaciares. Abstract. Observations of glacier mass changes are key to understanding the response of glaciers to climate change and related impacts, such as regional runoff, ecosystem changes, and global sea-level rise. Spaceborne optical and radar sensors make it possible to quantify glacier elevation changes, and thus multi-annual mass changes, on a regional and global scale. However, estimates from a growing number of studies show a wide range of results with differences often beyond uncertainty bounds. Here, we present the outcome of a community-based inter-comparison experiment using spaceborne optical stereo (ASTER) and synthetic aperture radar interferometry (TanDEM-X) data to estimate elevation changes for defined glaciers and target periods that pose different assessment challenges. Using provided or self-processed digital elevation models (DEMs) for five test sites, 12 research groups provided a total of 97 spaceborne elevation-change datasets using various processing strategies. Validation with airborne data showed that using an ensemble estimate is promising to reduce random errors from different instruments and processing methods, but still requires a more comprehensive investigation and correction of systematic errors. We found that scene selection, DEM processing, and co-registration have the biggest impact on the results. Other processing steps, such as treating spatial data voids, differences in survey periods, or radar penetration, can still be important for individual cases. Future research should focus on testing different implementations of individual processing steps (e.g. co-registration) and addressing issues related to temporal corrections, radar penetration, glacier area changes, and density conversion. Finally, there is a clear need for our community to develop best practices, use open, reproducible software, and assess overall uncertainty in order to enhance inter-comparison and empower physical process insights across glacier elevation-change studies. الخلاصة. تعتبر ملاحظات التغيرات في كتلة الأنهار الجليدية أساسية لفهم استجابة الأنهار الجليدية لتغير المناخ والآثار ذات الصلة، مثل الجريان السطحي الإقليمي وتغيرات النظام الإيكولوجي وارتفاع مستوى سطح البحر العالمي. تتيح أجهزة الاستشعار البصرية والرادارية المحمولة في الفضاء قياس التغيرات في ارتفاع الأنهار الجليدية، وبالتالي التغيرات الكتلية متعددة السنوات، على نطاق إقليمي وعالمي. ومع ذلك، تظهر التقديرات من عدد متزايد من الدراسات مجموعة واسعة من النتائج مع وجود اختلافات غالبًا ما تتجاوز حدود عدم اليقين. هنا، نقدم نتائج تجربة مقارنة مجتمعية باستخدام بيانات الاستريو البصري المحمول في الفضاء (ASTER) وبيانات قياس التداخل بالرادار ذي الفتحة الاصطناعية (TanDEM - X) لتقدير تغيرات الارتفاع للأنهار الجليدية المحددة والفترات المستهدفة التي تشكل تحديات تقييم مختلفة. باستخدام نماذج الارتفاع الرقمية المقدمة أو ذاتية المعالجة (DEMs) لخمسة مواقع اختبار، قدمت 12 مجموعة بحثية ما مجموعه 97 مجموعة بيانات لتغيير الارتفاع المحمول في الفضاء باستخدام استراتيجيات معالجة مختلفة. أظهر التحقق من البيانات المحمولة جواً أن استخدام تقدير المجموعة يعد بتقليل الأخطاء العشوائية من الأدوات وطرق المعالجة المختلفة، ولكنه لا يزال يتطلب تحقيقًا أكثر شمولاً وتصحيحًا للأخطاء المنهجية. وجدنا أن اختيار المشهد ومعالجة DEM والتسجيل المشترك لها أكبر تأثير على النتائج. يمكن أن تظل خطوات المعالجة الأخرى، مثل معالجة فراغات البيانات المكانية أو الاختلافات في فترات المسح أو اختراق الرادار، مهمة للحالات الفردية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على اختبار التطبيقات المختلفة لخطوات المعالجة الفردية (مثل التسجيل المشترك) ومعالجة القضايا المتعلقة بالتصحيحات الزمنية واختراق الرادار وتغيرات المنطقة الجليدية وتحويل الكثافة. أخيرًا، هناك حاجة واضحة لمجتمعنا لتطوير أفضل الممارسات، واستخدام برامج مفتوحة وقابلة للتكرار، وتقييم عدم اليقين العام من أجل تعزيز المقارنة البينية وتمكين رؤى العمليات المادية عبر دراسات تغيير ارتفاع الأنهار الجليدية.

Tidewater glaciers are glaciers that terminate in, and calve icebergs into, the ocean. In addition to the influence that tidewater glaciers have on physical and chemical oceanography, floating icebergs serve as habitat for marine animals such as harbor seals (Phoca vitulina richardii). The availability and spatial distribution of glacier ice in the fjords is likely a key environmental variable that influences the abundance and distribution of selected marine mammals; however, the amount of ice and the fine-scale characteristics of ice in fjords have not been systematically quantified. Given the predicted changes in glacier habitat, there is a need for the development of methods that could be broadly applied to quantify changes in available ice habitat in tidewater glacier fjords. We present a case study to describe a novel method that uses object-based image analysis (OBIA) to classify floating glacier ice in a tidewater glacier fjord from high-resolution aerial digital imagery. Our objectives were to (i) develop workflows and rule sets to classify high spatial resolution airborne imagery of floating glacier ice; (ii) quantify the amount and fine-scale characteristics of floating glacier ice; (iii) and develop processes for automating the object-based analysis of floating glacier ice for large number of images from a representative survey day during June 2007 in Johns Hopkins Inlet (JHI), a tidewater glacier fjord in Glacier Bay National Park, southeastern Alaska. On 18 June 2007, JHI was comprised of brash ice ([Formula: see text] = 45.2%, SD = 41.5%), water ([Formula: see text] = 52.7%, SD = 42.3%), and icebergs ([Formula: see text] = 2.1%, SD = 1.4%). Average iceberg size per scene was 5.7 m2 (SD = 2.6 m2). We estimate the total area (± uncertainty) of iceberg habitat in the fjord to be 455,400 ± 123,000 m2. The method works well for classifying icebergs across scenes (classification accuracy of 75.6%); the largest classification errors occur in areas with densely-packed ice, low contrast between neighboring ice cover, or dark or sediment-covered ice, where icebergs may be misclassified as brash ice about 20% of the time. OBIA is a powerful image classification tool, and the method we present could be adapted and applied to other ice habitats, such as sea ice, to assess changes in ice characteristics and availability.

AbstractThe Tien Shan and Pamir mountains host over 28,000 glaciers providing essential water resources for increasing water demand in Central Asia. A disequilibrium between glaciers and climate affects meltwater release to Central Asian rivers, challenging the region's water availability. Previous research has neglected temporal variability. We present glacier mass balance estimates based on transient snowline and geodetic surveys with unprecedented spatiotemporal resolution from 1999/00 to 2017/18. Our results reveal spatiotemporal heterogeneity characterized by two mass balance clusters: (a) positive, low variability, and (b) negative, high variability. This translates into variable glacial meltwater release (≈1–16%) of annual river runoff for two watersheds. Our study reveals more complex climate forcing‐runoff responses and importance of glacial meltwater variability for the region than suggested previously.