Changing glacier firn in Central Asia and its impact on glacier mass balance

Abstract

Glaciers in the Central Asian mountain ranges Tien Shan, Pamir and Pamir Alay are important water reservoirs for the dry low lands. These mountain glaciers attracted scientific interest already early. Soviet research programs investigated several sites from the 1960s until the 1990s. The resulting historical data are unique for the region and essential to answer open questions about the glaciers’ response to climate change. Regional-scale remote sensing studies reported balanced or positivemass changes for glaciers in Western High Mountain Asia for the last decades. With glaciers losing mass globally, this is a unique phenomenon. A precipitation increase is discussed to be a potential reason of this mass balance anomaly. However, the lack of in situ data hampers strengthening these assumptions and impedes quantifying the uncertainties of studies based on remote sensing data and gridded precipitation products. The Pamir Alay is located at the edge of the anomalous regions. Soviet researchers collected unique glaciological and meteorological data for Abramov glacier, located in this data-scarce region. Of particular interest are very detailed firn studies that provide information about the past precipitation rates and allow studying accumulation processes. Thanks to the availability of further, exceptionally detailed measurements, it is possible to relate the accumulation processes to the glacier-wide mass balance. This thesis aims at investigating the historical and present firn conditions of Abramov glacier as well as the changes therein over the past five decades. The firn processes were related to the surface energy andmass balance of Abramov glacier. Thereby, the influence of firn changes on the glacier-wide mass balance was studied. The underlying work involved (i) compiling and processing of historical firn, mass balance and meteorological data; (ii) measuring current firn conditions; and (iii) applying a coupled surface energy balance – multilayer subsurface model to Abramov glacier. The comparison of historical and current in situ data showed that the firn conditions of Abramov glacier have changed little between the 1970s and 2018. The data, however, also suggested a precipitation increase. The results of the coupled firn-mass balance model indicate that the firn properties of the 1970s were the result of specific meteorological conditions with low precipitation and high incoming solar radiation. These conditions were also reflected in very negative glacier mass balances. Precipitation increased during the following decades and allowed the firn to recover in the upper areas of the accumulation zone. Therefore, the internal accumulation (refreezing of melt water in the firn) increased. It is also shown that internal accumulation substantially contributed to the glacier-wide mass balance of Abramov. For the most recent years, firn conditions become again icier and mass losses increased. The presented thesis found in situ evidence of increased precipitation rates and their positive impact on themass balance for a glacier located in the data scarce western High Mountain Asia. The work highlights the importance of firn processes for understanding the response of mountain glaciers to climate change. Moreover, it demonstrates the importance of historic (Soviet) research and the suitability of the Russian terminology for analysing firn processes. Die Gletscher imZentralasiatischen Pamir-, Pamir Alay- und Tien Shan-Gebirge sind wichtige Wasserspeicher für das tiefer gelegene trockene Vorland. Schon früh haben diese Gletscher wissenschaftliches Interesse geweckt. Sowjetische Forschungsprogramme haben mehrere Standorte von den 1960er bis in die 1990er Jahre intensiv untersucht. Diese historischen Daten sind für die Region einmalig und könnten helfen, offene Fragen bezüglich der dortigen Gletscherveränderungen als Folge des Klimawandels zu beantworten. Mehrere regionale fernerkundungsbasierte Studien haben gezeigt, dass Gletscher in den westlichen Hochgebirgen Asiens in den letzten Jahrezehnten eine positive oder ausgeglicheneMassenbilanz hatten, während weltweit ein Gletscherschwund vorherrscht. Als Ursache für dieseMassenbilanzanomalie wird vermutet, dass der Niederschlag angestiegen ist. Umdiese Vermutungen zu festigen und umUnsicherheiten von Studien, die auf Fernerkundungsdaten oder meteorologischen Datensätzen basieren, zu klären, fehlt es leider an in-situ Daten. Der Pamir Alay liegt amRande der anomalen Gebiete. Sowjetische Forschende haben einmalige glaziologische und meteorlogische Daten für den sich dort befindenden Abramov Gletscher erhoben. Von besonderem Interesse sind die ausführlichen Firnuntersuchungen. Diese Daten vermitteln Hinweise zu den vergangenen Niederschlagsraten und erlauben es, die Akkumulationsprozesse zu untersuchen. Dank der Verfügbarkeit von weiteren, aussergewöhnlich detailliertenMessungen für diesen Gletscher ist esmöglich, die Akkumulationsprozesse mit der Gletschermassenbilanz in Zusammenhang zu bringen. Diese Arbeit hat zum Ziel, die historischen sowohl als auch die gegenwärtigen Firnbedingungen des Abramov Gletschers sowie deren Veränderungen über fünf Dekaden zu untersuchen. Firnprozesse wurden mit der Oberflächen Energie- undMassenbilanz des Gletschers in Zusammenhang gebracht, umden Einfluss der Akkumulations- und Firnveränderungen auf die Gletschermassenbilanz zu verstehen. Dafür wurden die historischen Firn-,Massenbilanz- und meteorologischen Daten aufgearbeitet, neue Firndaten erhoben und ein gekoppeltes Firn-Massenbilanz-Modell angewendet. Der Vergleich von historischen und aktuellen in-situ Daten hat aufgezeigt, dass sich der Firn des Abramov Gletschers zwischen den 1970er Jahren und 2018 kaum verändert hat. Die Daten weisen jedoch auf einen Niederschlagsanstieg hin. Die Resultate des gekoppelten Firn-Massenbilanz-Modelles zeigen auf, dass die meteorologischen Bedingungen in den 1970ern unvorteilhaft für den Abramov Gletscher waren. In den folgenden Jahrzehnten nahm der Niederschlag zu und der Firn konnte sich in den höheren Lagen des Akkumulationsgebietes vollständig erholen. Dies führte zu einer erhöhten internen Akkumulation (Wiedergefrieren des Schmelzwassers imFirn), welche einen bedeutenden Anteil an der Gletschermassenbilanz hatte. In den letzten Jahren haben sich die Firnbedingungen und Massenveränderungen wiederum verschlechtert. Die vorgelegte Arbeit zeigt aufgrund von in-situ Daten, dass der vermutete Niederschlagsanstieg in den westlichenHochgebirgen Asiens auf den Abramov Gletscher zutrifft und dass dieser Anstieg einen positiven Einfluss auf dieMassenbilanzentwicklung des Gletschers hat. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Bedeutung von Firnprozessen für das Verständnis der Reaktion von Gebirgsgletschern auf den Klimawandel. Die Arbeit weist ausserdemauf die Relevanz historischer (sowjetischer) Forschung und die Bedeutung der russischen Terminologie für die Analyse von Firnprozessen hin.