The evolution of the Antarctic Ice Sheet from the Last Glacial Maximum to 2100 Malou Maris

127 Pages·2014·14.97 MB·English

The evolution of the Antarctic Ice Sheet
from the Last Glacial Maximum to 2100
Malou Maris
ISBN978-90-393-6245-7
Copyright©MalouMaris,TheNetherlands
InstituteforMarineandAtmosphericresearchUtrecht(IMAU)
FacultyofScience,DepartmentofPhysicsandAstronomy
UtrechtUniversity,TheNetherlands
An online version of this thesis is available via
https://sites.google.com/site/mnamaris/
Cover: Thenightlysky,asseenfromtheSouthPole,withatimelinefrom120000
years ago until the year 2100. On the back is a picture of the Fram (’Forward’ in
Norwegian),theshipusedbyRoaldAmundsenandhiscrewontheirexpeditionto
theSouthPolefrom1910to1912.
The evolution of the Antarctic Ice Sheet
from the Last Glacial Maximum to 2100
De evolutie van de Antarctische ijskap
van de laatste ijstijd tot 2100
(meteensamenvattinginhetNederlands)
proefschrift
terverkrijgingvandegraadvandoctoraandeUniversiteitUtrecht
opgezagvanderectormagnificus,prof.dr.G.J.vanderZwaan,
ingevolgehetbesluitvanhetcollegevoorpromoties
inhetopenbaarteverdedigenop
woensdag26november2014desochtendste10.30uur
door
Malou Nikea Anthea Maris
geborenop11januari1986teOmmen
Promotor: Prof.dr.J.Oerlemans
Copromotor: Dr.B.deBoer
Lascience,mongarçon,
estfaited’erreurs,
maisd’erreursqu’ilestbon
decommettre,
carellesmènent
peuàpeu
àlavérité
from’VoyageauCentredelaTerre’
byJulesVerne,1864
Science,myboy,
ismadeupofmistakes,
buttheyaremistakeswhichitis
useful
tomake,
becausetheylead
littlebylittle
tothetruth.

Contents
Samenvatting ix
1 Introduction 1
1.1 HistoryoftheAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Theinitialstate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Externalforcingmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Icedynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Modeldescription 19
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Generalbackgroundofthemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Oceanicforcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Thebedrockresponsetoiceloading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 SIAandSSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7 Couplingofthemodelcomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3 GCMintercomparison 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Present-dayresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Mid-Holoceneresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 LGMresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
vii
Contents
4 Modelsensitivity 49
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3 Thereferencesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 Resultsofthesensitivityexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 TheevolutionoftheAISfromtheLGMto2100 71
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Conclusionsandoutlook 97
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Listofacronyms 103
Bibliography 105
Dankwoord 113
Abouttheauthor 115
viii
Samenvatting
DeAntarctischeijskapisgelegeninhetzuidpoolgebiedenisdegrootsteijskapop
aarde. IntegenstellingtothetijsrondomdenoordpoolligthetmeesteijsvanAnt-
arcticaopland. Wanneerijsvanhetlandinzeeterechtkomtdraagthetbijaande
stijging van het zeeniveau. Als al het ijs van Antarctica zou verdwijnen, zou het
mondiaalzeeniveaubijna60meterstijgen.Hetgrootstedeelvandeijskapisonder
de huidige omstandigheden echter stabiel en zal op korte termijn niet verdwijnen
als de temperatuur een aantal graden stijgt. Grotere veranderingen in de ijskap
zijnwelzichtbaaroverlangetijdschalen. ZoheeftdeAntarctischeijskapvooralin
hetwestelijkdeel(tenzuidenvanAmerikaendeStilleOceaan)veelveranderingen
ondergaan sinds de laatste ijstijd, ongeveer 21 000 jaar geleden. De temperatuur
was toen ongeveer 10 graden lager dan nu, en het zeeniveau was bijna 120 meter
lager. Die120meterlagtoenindevormvanijsopgeslagenopdelandmassa’svan
Noord-Amerika,EuraziëenAntarctica,waarbijAntarcticaeenbijdrageleverdevan
8tot25meter.Sindsdelaatsteijstijdishetvolumevandeijskapafgenomen,enhet
isnogsteedsaanhetafnemen. Omtebepalenhoeveelvandeontwikkelingendie
we zien, in het heden en in de toekomst, worden veroorzaakt door het natuurlijk
verloopenhoeveeldoormenselijktoedoen,isinditproefschriftdeevolutievande
ijskapvandelaatsteijstijdtothetjaar2100onderzocht. Voorditonderzoekishet
ijskapmodelANICEgebruikt.
De simulaties met ANICE zijn gedaan van 120 000 jaar geleden tot nu en van
21000jaargeledentothetjaar2100.Omdesimulatiestekunnenuitvoerenisereen
initiëleijskap(beginsituatievandeijskap)nodiginhetmodeleneenbeschrijving
vandeexterneinvloeden(deforcering).Deinitiëleijskapvoordesimulatiesvan21
000jaargeledentot2100wordtgegevendoordesimulatievan120000jaargeleden
totnudiedeijskaphetbestmodelleertinvergelijkingmetobservaties(zieHoofd-
stuk4). Voordesimulatievan120000jaargeledentotnuhebbenweaangenomen
ix
Samenvatting
datdeinitiëleijskapongeveergelijkisaandehuidigeijskapomdathetklimaaten
hetzeeniveauookongeveerhetzelfdewaren.Deforceringbestaatuitonderandere
detemperatuurvanhetoceaanwater,hetzeeniveauenhetklimaat:deluchttempe-
ratuurendeoppervlaktemassabalans(desomvandeneerslag,desmeltenandere
processendiedehoeveelheidijsaandeoppervlaktevandeijskapbeïnvloeden).
Om een zo realistisch mogelijke luchttemperatuur en oppervlaktemassabalans
te krijgen hebben we het regionaal klimaatmodel RACMO2/ANT gebruikt om het
huidigeklimaatenhetklimaattentijdevandelaatsteijstijdtesimuleren.Desimu-
latievanhethuidigeklimaatisookgebruiktalsforceringvoor120000jaargeleden
omdathetvolgensijskerndatatoenongeveerevenwarmwasopaarde.Weinterpo-
lerendetemperatuurendeoppervlaktemassabalanstussendedrietijdstippenvan
120000jaargeleden,delaatsteijstijdennu.Deinterpolatiemethodewordtindetail
beschreveninHoofdstuk4.
RACMO2/ANT heeft input nodig uit meteorologische observaties of uit een
mondiaalklimaatmodel. Voorhethedenzijnerobservatiesbeschikbaar,maarvoor
delaatsteijstijdiseenmondiaalklimaatmodelnodig. Omhetklimaattentijdevan
de laatste ijstijd zo realistisch mogelijk te kunnen simuleren met RACMO2/ANT
hebbenweinHoofdstuk3onderzochtwelkmondiaalklimaatmodeldemeestrea-
listische simulaties levert in het Antarctisch gebied, zowel in het heden als in het
verleden. Metditdoelzijn18klimaatmodellenvergelekenmetreferentiedatavoor
hetheden,hetmid-Holoceen(6000jaargeleden)endelaatsteijstijd.Voorhetheden
zijndetemperatuurendeneerslagzoalsgesimuleerddoorRACMO2/ANTalsrefe-
rentiegenomen.Alsreferentievoorhetverledenzijnijskerndatagebruikt.Overhet
algemeenwordtdehuidigetemperatuurgoedgesimuleerddoordeklimaatmodellen,
maardeneerslagwordtoverschat. Uitditonderzoekisverdergeblekendatdeon-
zekerheidindesimulatiesvanklimaatmodellenvaakgroterisdanhetgemetenver-
schilintemperatuurofneerslagtussenhetverledenenhetheden. Ditgeldtvooral
voor het mid-Holoceen, waardoor de prestaties van de klimaatmodellen moeilijk
te meten zijn voor deze periode. Uit de vergelijking van de 18 klimaatmodellen is
geblekendatHadCM3hetklimaatinhetAntarctischgebiedhetmeestrealistischsi-
muleert.InderestvanhetonderzoekzijnresultatenuitHadCM3danookgebruikt
alsinputvoorRACMO2/ANTomzoeenklimatologischeforceringtekrijgenvoor
ANICE.
OmeengevoeltekrijgenvoorwelkeparametersinANICEbelangrijkzijnvoor
hetmodellerenvandeAntarctischeijskapenomeenzorealistischmogelijkeinitië-
le ijskap te krijgen om simulaties van 21 000 jaar geleden tot 2100 mee te starten,
zijninHoofdstuk4gevoeligheidsexperimentengedaanvan120000jaargeledentot
nu. Viadezeexperimentenzijndeeffectenvanhetveranderenvanvijfparameters
onderzocht. De eerste twee parameters betreffen het gemak waarmee het ijs over
hetonderliggendelandglijdt. Ditglijdengebeurtalsdewrijvingtussendebodem
enhetijskleinwordt.Dederdeparameterbepaalthoemakkelijkhetijsstroomton-
derinvloedvandeformatie(vervormingen)vanhetijs. Delaatstetweeparameters
x