On the Oceanic and Atmospheric Mechanisms Driving the Basal Melting of Fimbulisen Ice Shelf, East Antarctica

Abstract

Den fremtidige massebalansen til innlandsisen i Øst-Antarktis er den største usikkerheten i prognoser om global havnivåstigning. Et betydelig bidrag til tapet av isen kommer fra oseanisk smelting av isbremmer, de flytende forlengelsene av isdekket. Relativt varme vannmasser har blitt observert å forårsake omfattende tap av denne ismassen og en påfølgende akselerering av utslipp av innlandsis i Vest-Antarktis. Motsetningsvis har tilstedeværelsen av kaldere vannmasser i Øst-Antarktis begrenset basalsmelting de siste tiårene. Midlertidig antyder nyere forskning at tilgangen til varmt vann til de øst-antarktiske isbremmene kan øke i fremtiden, med direkte konsekvenser for global havnivåstigning. Kunnskapen om de lokale og circum-antarktiske drivkreftene bak en slik endring er imidlertid dårlig og i stor grad basert på idealisert modellering. Derfor er observasjoner avgjørende for å forbedre vår forståelse av isbrem-hav-interaksjoner i Øst-Antarktis og redusere usikkerheten i fremtidige prognoser om havnivåstigning. Dette arbeidet tar adresserer denne problemstillingen gjennom omfattende analyser av en unik tolv år lang måleserie fra tre oseaniske undervannsrigger under Fimbulisen i Øst-Antarktis, og av en to år lang måleserie fra to rigger på den nærliggende kontinentalskråningen.

I artikkel I undersøker vi de storskala drivkreftene som fører til tilførsel av varme under Fimbulisen. Vi gjør dette ved å sammenligne riggdata fra under isbremmen med målinger av vind, havis og havoverflatens høyde. Vi finner at i 2010/11 ga svakere østlig vind og redusert havis gunstige forhold for en temperaturøkning under isbremmen. En påfølgende kald periode var preget av sterkere østavind og økt havisutbredelse. I 2016 viser observasjonene en endring mot en mer vedvarende varmetilførsel under Fimbulisen. Vi finner en teleforbindelse initiert av økt fjerntliggende subpolar vestavind som fører til dette skiftet, i tråd med tidligere modelleringsstudier. Satellittdata viser en sammenfallende økning i basalsmeltingen av Fimbulisen, noe som indikerer at den økte varmetilførselen direkte påvirket massebalansen til isbremmen.

I artikkel II bruker vi riggobservasjoner fra det åpne hav for å undersøke hydrografien og sirkulasjonen øst for Fimbulisen. Disse havforholdene forventes å spille en rolle i omfanget og tidspunktet for tilførselen av varmt vann under isbremmen. Vi finner tydelige sesongsykluser i strømstyrken langs kysten som er drevet av fjernvind og endringer i tetthet på grunn av smelting og frysing av havis. I tillegg observerer vi en forsinkelse i den hydrografiske sesongvariasjonen offshore sammenlignet med kysten. Vi sammenligner også med klimatologiske datasett og konkluderer at denne forsinkelsen skyldes spredning av ferskvann fra den sesongmessige havissmeltingen, noe som tydeliggjør rollen til havis for den hydrografiske og dynamiske sesongvariasjonen langs denne delen av kysten. Sesongvariasjonen i styrken til havstrømmene i det åpne havet bestemmer sesongmessig inn- og utstrømning under Fimbulisen, men tilførselen av varmt vann under isbremmen på dypet viser seg å ha liten sammenheng med denne sesongvariasjonen.

I artikkel III undersøker vi variasjonen av vannmasseegenskapene og sirkulasjonen under Fimbulisen på time- til sesongmessige tidsskalaer med fokus på varmeinntrengninger i dypet. Vi finner at solvarmet overflatevann trenger inn under isbremmen i mars i løpet av alle tolv år i måleserien, og denne strømmen er styrt av tykkelsen til isbremmen. Disse inntrengningene av varmt vann når ned til 370 m i juli, i samsvar med vinddrevet nedstrømming av overflatevann ved kysten. Varme inntrengninger på havbunnen er assosiert med sykloniske virvler som kommer inn under isbremmen og når opp til bunnen av isen. Vi foreslår at den sesongmessige variasjonen til disse dype varme inntrengningene påvirkes av både dybden av det varme vannet til havs og strømmen langs kysten som er påvirket av potensiell virvling.

Oppsummert utvider resultatene fra de tre artiklene kunnskapen om prosessene involvert i isbrem-hav-interaksjoner i Øst-Antarktis. Observasjonene indikerer at isbremmen i Øst-Antarktis er følsom overfor betydelig atmosfærisk og oseanisk påvirkning på storskala og understreker at klimaendringer kan akselerere massetap fra det østantarktiske isdekket. Denne økte forståelsen, når den blir implementert i numeriske modeller, kan være av betydelig verdi for å minske de store usikkerhetene i prognoser om global havnivåstigning.

The future mass balance of the East Antarctic ice sheet is the largest uncertainty in projections of global sea level rise. A major contribution to ice sheet mass loss originates from the oceanic melting of the ice shelves, the floating extension of the ice sheet. Relatively warm water masses have been observed to cause extensive ice shelf mass loss and a consequent accelerated inland ice discharge in West Antarctica. In contrast, in East Antarctica, the presence of colder water masses has limited basal melting over the past decades, but recent research suggests that warm water access to the East Antarctic ice shelves might increase in the future, with direct consequences for global sea level rise. Knowledge of the local and circum-Antarctic drivers of such a shift is, however, poor and largely based on idealized modeling. Therefore, observations are critical to improve our understanding of ice-shelf-ocean interactions in East Antarctica and reduce the uncertainties in future sea level rise projections. This work addresses this issue through extensive analyses of a unique twelve-year-long record from three oceanic moorings below Fimbulisen Ice Shelf, East Antarctica, and of a two-year-long record from two moorings on the close-by continental slope.

In paper I, we examine the large-scale atmospheric and oceanic drivers of warm inflow below Fimbulisen by combining the sub-ice-shelf mooring records with wind, sea ice, and sea surface height data. We find that in 2010/11, weaker along-shore easterly winds and reduced sea ice provided favorable conditions for a temperature increase below the ice shelf. A subsequent cold period was marked by stronger easterly winds and increased sea ice concentration. In 2016, the observations show a shift toward a more sustained warm inflow below Fimbulisen. We find a teleconnection initiated by increased remote subpolar westerly winds as the driver of the shift, in agreement with previous modeling studies. Satellite data show a coinciding increase in the basal melt rates of Fimbulisen, indicating that the increased warm inflow directly affected the ice shelf’s mass balance.

In paper II, we use the open-ocean mooring observations to investigate the hydrography and circulation east of Fimbulisen. These open-ocean conditions are expected to play a role in the extent and timing of warm water inflow below the ice shelf. We find distinct seasonal cycles in along-shore current strength driven by remote winds and surface buoyancy fluxes from sea ice melt and freeze. In addition, we observe a delay in the hydrographic seasonality further offshore compared to that near the coast. Supplemented by climatological hydrography, we conclude that this delay is due to the offshore spreading of freshwater from seasonal sea ice melt, highlighting the role of sea ice for the hydrographic and dynamic seasonality along this portion of the coast. The seasonality of the open-ocean current strength translates into seasonal inflow and outflow below Fimbulisen, but the warm water access below the ice shelf at depth appears to have little relationship with this seasonality.

In paper III, we investigate the variability of the water mass properties and circulation below Fimbulisen on hourly to seasonal timescales with a focus on sources of heat under the ice shelf. We find that solar-heated surface water intrudes the cavity in March during all twelve years of the record, guided by contours of ice shelf draft. These intrusions reach down to 370m in July, consistent with the wind-driven deepening of surface water at the coast. On hourly timescales, warm intrusions at the seafloor are associated with cyclonic eddies advected into the cavity, reaching up to the ice base. We suggest that the seasonal variability of these deep warm intrusions is affected by both the depth of the offshore warm water and the along-shore current modulated by potential vorticity dynamics.

In summary, the results from the three papers extend knowledge of the processes involved in ice-shelf-ocean interactions in East Antarctica. The observations provide evidence of the sensitivity of an East Antarctic ice shelf to large-scale atmospheric and oceanic forcing and underline that climate change may accelerate mass loss from the East Antarctic ice sheet. With the potential to be incorporated in numerical models, this improved understanding is highly valuable in reducing the large uncertainties in projections of future global sea level rise.