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A new approach to classification of 40 years of Antarctic sea ice concentration data (2021)
Wachter, Paul ; Reiser, Fabian ; Friedl, Peter ; Jacobeit, Jucundus
Abstract In this paper, we present a characterization of Antarctic sea ice based on the classification of annual sea ice concentration (SIC) data from 1979 to 2018. A clustering algorithm was applied to provide a climatological description of significant annual cycles of SIC and their spatial distribution around the Southern Ocean. Based on these classification results, we investigate the variability of SIC cycles on decadal and inter‐annual time scales. First, we discuss significant spatial shifts of SIC cycles during 1979–1998 and 1999–2018. In the Weddell Sea and in large parts of the Ross Sea, we observed higher SIC during the summer season, and an extension of sea ice cover in winter compared to the long‐term average. Second, we introduce the Climatological Sea Ice Anomaly Index (CSIAI), which is an annual measure for year‐round sea ice anomalies of the Southern Ocean and its regional sub‐sectors. By relating selected years of significant sea ice conditions (1981, 2007 and 2014) with atmospheric influences, we demonstrate that the CSIAI is very useful for assessing inter‐annular Antarctic SIC variability. Positive and negative sea ice anomalies can be qualitatively explained by atmospheric circulation anomalies in the years 1981 and 2007. However, in 2014, the year with the largest observed sea ice extent in our time series, we found that this positive sea ice anomaly was surprisingly not associated with a stationary and inter‐seasonally persistent pattern of circulation anomaly. This suggests that sub‐seasonal to seasonal circulation anomalies and ocean‐related processes favoured the formation of the sea ice maximum in 2014. With this study we provide additional information on the long‐term annual SIC variability around Antarctica. Furthermore, our classification approach and its results have potential for application in the evaluation of sea ice model results.
Using Thermal Springs to Quantify Deep Groundwater Flow and Its Thermal Footprint in the Alps and a Comparison With North American Orogens (2020)
Luijendijk, Elco ; Winter, Theis ; Köhler, Saskia ; Ferguson, Grant ; von Hagke, Christoph ; Scibek, Jacek
Abstract The extent of deep groundwater flow in mountain belts and its thermal effects are uncertain. Here, we use a new database of discharge, temperature, and composition of thermal springs in the Alps to estimate the extent of deep groundwater flow and its contribution to the groundwater and heat budget. The results indicate that thermal springs are fed exclusively by meteoric water and make up 0.1% of the total groundwater budget. Spring water circulates on average to a depth of at least 2 km. The net heat extracted from the subsurface equals 1% of the background heat flow, which equals an average thermal footprint of 7 km2. Cooling by downward flow and heating by upward flow are three and two times higher than the net heat flow, respectively. Comparison with North American orogens shows that hydrothermal activity is higher in areas with high relief or areas under extension.
Editorial: Observational Assessments of Glacier Mass Changes at Regional and Global Level (2021)
Thomson, Laura ; Brun, Fanny ; Braun, Matthias ; Zemp, Michael
Geological CO2 quantified by high-temporal resolution stable isotope monitoring in a salt mine (2020)
Frank, Alexander H. ; van Geldern, Robert ; Myrttinen, Anssi ; Zimmer, Martin ; Barth, Johannes A. C. ; Strauch, Bettina
The relevance of CO2 emissions from geological sources to the atmospheric carbon budget is becoming increasingly recognized. Although geogenic gas migration along faults and in volcanic zones is generally well studied, short-term dynamics of diffusive geogenic CO2 emissions are mostly unknown. While geogenic CO2 is considered a challenging threat for underground mining operations, mines provide an extraordinary opportunity to observe geogenic degassing and dynamics close to its source. Stable carbon isotope monitoring of CO2 allows partitioning geogenic from anthropogenic contributions. High temporal-resolution enables the recognition of temporal and interdependent dynamics, easily missed by discrete sampling. Here, data is presented from an active underground salt mine in central Germany, collected on-site utilizing a field-deployed laser isotope spectrometer. Throughout the 34-day measurement period, total CO2 concentrations varied between 805 ppmV (5th percentile) and 1370 ppmV (95th percentile). With a 400-ppm atmospheric background concentration, an isotope mixing model allows the separation of geogenic (16–27%) from highly dynamic anthropogenic combustion-related contributions (21–54%). The geogenic fraction is inversely correlated to established CO2 concentrations that were driven by anthropogenic CO2 emissions within the mine. The described approach is applicable to other environments, including different types of underground mines, natural caves, and soils.
10-year Characteristics of Moisture Source Regions and Their Potential Effect on Seasonal Isotopic Signatures of δ18O in Tropical Trees of Southern Ecuador (2020)
Landshuter, Nadja ; Mölg, Thomas ; Grießinger, Jussi ; Bräuning, Achim ; Peters, Thorsten
Ratios of stable oxygen isotopes in tree rings (δ18O) are a valuable proxy for reconstructing past climates. Such reconstructions allow us to gain better knowledge of climate dynamics under different (eg warmer) environmental conditions, which also forms the basis for effective risk management. The latter aspect is particularly relevant for our study site on the western flanks of the Andes in Southern Ecuador, since the region is frequently affected by droughts and heavy precipitation events during the rainy season (January to April), leading to enormous social and economic losses. In particular, we focus on precipitation amounts and moisture source regions as they are known to influence the δ18O signature of tree rings. Moisture source regions are based on 240 h backward trajectories that were calculated with the trajectory model LAGRANTO for the rainy seasons 2008 to 2017. A moisture source diagnostic was applied to the air parcel pathways. The resulting moisture source regions were analyzed by calculating composites based on precipitation amounts, season, and calendar year. The precipitation amounts were derived from data of a local Automatic Weather Station (AWS). The analysis confirms that our study site receives its moisture both, from the Atlantic and the Pacific Oceans. Heavy precipitation events are linked to higher moisture contributions from the Pacific, and local SST anomalies along the coast of Ecuador are of higher importance than those off the coast toward the central Pacific. Moreover, we identified increasing moisture contributions from the Pacific over the course of the rainy season. This change and also rain amount effects are detectable in preliminary data of δ18O variations in tree rings of Bursera graveolens. These signatures can be a starting point for investigating atmospheric and hydroclimatic processes, which trigger δ18O variations in tree rings, more extensively in future studies.
Rifting of the oceanic Azores Plateau with episodic volcanic activity (2020)
Storch, B. ; Haase, K. M. ; Romer, R. H. W. ; Beier, C. ; Koppers, A. A. P.
Extension of the Azores Plateau along the Terceira Rift exposes a lava sequence on the steep northern flank of the Hirondelle Basin. Unlike typical tholeiitic basalts of oceanic plateaus, the 1.2 km vertical submarine stratigraphic profile reveals two successive compositionally distinct basanitic to alkali basaltic eruptive units. The lower unit is volumetrically more extensive with ~ 1060 m of the crustal profile forming between ~ 2.02 and ~ 1.66 Ma, followed by a second unit erupting the uppermost ~ 30 m of lavas in ~ 100 kyrs. The age of ~ 1.56 Ma of the youngest in-situ sample at the top of the profile implies that the 35 km-wide Hirondelle Basin opened after this time along normal faults. This rifting phase was followed by alkaline volcanism at D. João de Castro seamount in the basin center indicating episodic volcanic activity along the Terceira Rift. The mantle source compositions of the two lava units change towards less radiogenic Nd, Hf, and Pb isotope ratios. A change to less SiO2-undersaturated magmas may indicate increasing degrees of partial melting beneath D. João de Castro seamount, possibly caused by lithospheric thinning within the past 1.5 million years. Our results suggest that rifting of oceanic lithosphere alternates between magmatically and tectonically dominated phases.
Results from the Ice Thickness Models Intercomparison eXperiment Phase 2 (ITMIX2) (2021)
Farinotti, Daniel ; Brinkerhoff, Douglas J. ; Fürst, Johannes J. ; Gantayat, Prateek ; Gillet-Chaulet, Fabien ; Huss, Matthias ; Leclercq, Paul W. ; Maurer, Hansruedi ; Morlighem, Mathieu ; Pandit, Ankur ; Rabatel, Antoine ; Ramsankaran, RAAJ ; Reerink, Thomas J. ; Robo, Ellen ; Rouges, Emmanuel ; Tamre, Erik ; van Pelt, Ward J. J. ; Werder, Mauro A. ; Azam, Mohod Farooq ; Li, Huilin ; Andreassen, Liss M.
Knowing the ice thickness distribution of a glacier is of fundamental importance for a number of applications, ranging from the planning of glaciological fieldwork to the assessments of future sea-level change. Across spatial scales, however, this knowledge is limited by the paucity and discrete character of available thickness observations. To obtain a spatially coherent distribution of the glacier ice thickness, interpolation or numerical models have to be used. Whilst the first phase of the Ice Thickness Models Intercomparison eXperiment (ITMIX) focused on approaches that estimate such spatial information from characteristics of the glacier surface alone, ITMIX2 sought insights for the capability of the models to extract information from a limited number of thickness observations. The analyses were designed around 23 test cases comprising both real-world and synthetic glaciers, with each test case comprising a set of 16 different experiments mimicking possible scenarios of data availability. A total of 13 models participated in the experiments. The results show that the inter-model variability in the calculated local thickness is high, and that for unmeasured locations, deviations of 16% of the mean glacier thickness are typical (median estimate, three-quarters of the deviations within 37% of the mean glacier thickness). This notwithstanding, limited sets of ice thickness observations are shown to be effective in constraining the mean glacier thickness, demonstrating the value of even partial surveys. Whilst the results are only weakly affected by the spatial distribution of the observations, surveys that preferentially sample the lowest glacier elevations are found to cause a systematic underestimation of the thickness in several models. Conversely, a preferential sampling of the thickest glacier parts proves effective in reducing the deviations. The response to the availability of ice thickness observations is characteristic to each approach and varies across models. On average across models, the deviation between modeled and observed thickness increase by 8.5% of the mean ice thickness every time the distance to the closest observation increases by a factor of 10. No single best model emerges from the analyses, confirming the added value of using model ensembles.
Fully Automated Detection of Supraglacial Lake Area for Northeast Greenland Using Sentinel-2 Time-Series (2021)
Hochreuther, Philipp ; Neckel, Niklas ; Reimann, Nathalie ; Humbert, Angelika ; Braun, Matthias
The usability of multispectral satellite data for detecting and monitoring supraglacial meltwater ponds has been demonstrated for western Greenland. For a multitemporal analysis of large regions or entire Greenland, largely automated processing routines are required. Here, we present a sequence of algorithms that allow for an automated Sentinel-2 data search, download, processing, and generation of a consistent and dense melt pond area time-series based on open-source software. We test our approach for a ~82,000 km2 area at the 79 °N Glacier (Nioghalvfjerdsbrae) in northeast Greenland, covering the years 2016, 2017, 2018 and 2019. Our lake detection is based on the ratio of the blue and red visible bands using a minimum threshold. To remove false classification caused by the similar spectra of shadow and water on ice, we implement a shadow model to mask out topographically induced artifacts. We identified 880 individual lakes, traceable over 479 time-steps throughout 2016–2019, with an average size of 64,212 m2. Of the four years, 2019 had the most extensive lake area coverage with a maximum of 333 km2 and a maximum individual lake size of 30 km2. With 1.5 days average observation interval, our time-series allows for a comparison with climate data of daily resolution, enabling a better understanding of short-term climate-glacier feedbacks.
Calculating Energy and Its Spatial Distribution for a Subsurface Urban Heat Island Using a GIS-Approach (2021)
Schweighofer, Julian A. V. ; Wehrl, Michael ; Baumgärtel, Sebastian ; Rohn, Joachim
In urban areas, the human influence on the city-ecosystem often results in a Subsurface Urban Heat Island (SUHI), which can be used geothermally. Unfortunately, a model of a SUHI does not consider the geology and hydrogeology of the subsoil. These can vary significantly over short distances, and are of considerable importance for the energy balance. In this work, we calculated the energy and its density stored in the subsoil via a SUHI. For this so-called energy-SUHI (e-SUHI), we evaluated the geology and its physical parameters for the first 20 m below ground level in the German city of Nuremberg and linked them to measured underground temperatures in a GIS application. This approach revealed stored energy of 1.634 × 1010 MJ within the soil and water for the study area with an area of 163 km2 and a volume of 3.26 × 109 m3. It corresponds to an average energy density of 5.0 MJ/m3. The highest energy density of 16.5 MJ/m3 was found in the city center area and correlated well to increases in subsurface temperature. As expected, our model reacts sensitively to thickness changes in the geological layers and the unsaturated zone.
Dominance of in situ produced particulate organic carbon in a subtropical reservoir inferred from carbon stable isotopes (2020)
de Castro Bueno, Carolina ; Frascareli, Daniele ; Gontijo, Erik S. J. ; van Geldern, Robert ; Rosa, André H. ; Friese, Kurt ; Barth, Johannes A. C.
Sources of particulate organic carbon (POC) play important roles in aqueous carbon cycling because internal production can provide labile material that can easily be turned into CO2. On the other hand, more recalcitrant external POC inputs can cause increased loads to sedimentary organic matter that may ultimately cause CH4 release. In order to differentiate sources, stable isotopes offer a useful tool. We present a study on the Itupararanga Reservoir (Brazil) where origins of POC were explored by comparing its isotope ratios (δ13CPOC) to those of dissolved inorganic carbon (δ13CDIC). The δ13CPOC averaged around − 25.1‰ in near-surface waters, which indicates higher primary production inferred from a fractionation model that takes into account carbon transfer with a combined evaluation of δ13CPOC, δ13CDIC and aqueous CO2. However, δ13CPOC values for water depths from 3 to 15 m decreased to − 35.6‰ and indicated different carbon sources. Accordingly, the δ13CDIC values of the reservoir averaged around + 0.6‰ in the top 3 m of the water column. This indicates CO2 degassing and photosynthesis. Below this depth, DIC isotope values of as low as − 10.1‰ showed stronger influences of respiration. A fractionation model with both isotope parameters revealed that 24% of the POC in the reservoir originated from detritus outside the reservoir and 76% of it was produced internally by aqueous CO2 fixation.
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