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Two Models for Estimating Climate‒Glacier Relationships in the North Cascades, Washington, U.S.A.

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Wendell Tangborn*
Affiliation:
U.S. Geological Survey, Tacoma, Washington 98402, U.S.A.
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Abstract

Two models based on standard observations of precipitation, temperature, and run-off at low-altitude weather and gaging stations have been devised to calculate annual glacier balances in the North Cascades of Washington. The predicted glacier balances of the Thunder Creek basin glaciers, determined by a run-off–precipitation (RP) model during the 1920–74 period, are compared with balances predicted by a precipitation–temperature (PT) model for the same period. Annual balances determined by the PT model are also compared with balances measured by field techniques at South Cascade Glacier since 1958. In the PT model, winter snow accumulation (winter balance) is determined by winter (October–April) precipitation observed at the Snoqualmie Falls weather station. Summer (May–September) ablation (summer balance) on the glaciers is estimated by a technique which utilizes maximum and minimum air temperatures, also observed at Snoqualmie Falls. Ablation calculations incorporate summer cloud cover as a variable by using a relationship between cloud cover and the range in daily maximum and minimum air temperatures.

Annual mass changes for the 1884–1974 period in both South Cascade Glacier and the Thunder Creek glaciers were reconstructed by utilizing the PT model. The fluctuations in glacier mass during this period generally agree with historical observations and show that a definite change in glacier activity from marked recession to stability or an advancing state occurred about 1945. During the 1900–45 period, South Cascade Glacier lost mass at a rate of 1.4 m per year and the Thunder Creek glaciers (which are at a higher altitude) at 1.1 m per year.

These models suggest that the relationship of glacier mass balance to precipitation and temperature is a very sensitive one. It appears from these studies that a decrease in summer air temperature of just over 0.5 deg or an increase in winter accumulation of slightly more than 10% (350 mm) from the 1920–74 average would cause these glaciers to grow continuously.

Résumé

Résumé

Deux modèles basés sur des observations classiques de précipitation, de température et de débit des stations météorologiques et de jaugeage de basse altitude ont été imaginés pour calculer les bilans annuels des glaciers dans les North Cascades de Washington. Les bilans prévus des glaciers du bassin de Thunder Creek, déterminés par un modèle débit–précipitation (RP) pendant la période 1920–74 sont comparés avec les bilans prévus par un modèle précipitation–température (PT) pour la même période. Les bilans annuels déterminés par le modèle PT sont aussi comparés aux bilans mesurés sur le terrain au South Cascade Glacier depuis 1958. Dans le modèle PT, l’accumulation hivernale de neige (bilan hivernal) est déterminée par les précipitations hivernales (octobre–avril) observées à la station météorologique de Snoqualmie Falls. L’ablation estivale (mai–septembre) ou bilan estival sur les glaciers est estimée par une technique qui utilise les températures minimum et maximum journalières de l’air.

La variation annuelle de masse pour la période 1884–1974 dans le South Cascade Glacier et les glaciers du Thunder Creek a été reconstituée à partir du modèle PT. Les fluctuations de la masse glaciaire durant cette période concordent généralement bien avec les observations historiques et montrent qu’une modification nette de l’activité des glaciers d’une récession sensible à un stade de stabilité ou d’avancée a eu lieu vers 1945. Durant la période 1900–45, le South Cascade Glacier a perdu sa substance au rythme de 1,4 m par an et les glaciers de Thunder Creek (dont l’altitude est supérieure) à celui de 1,1 m par an.

Ces modéles mettent en évidence le rapport très sensible des bilans glaciaires avec les précipitations et la température. Il ressort de ces études qu’un abaissement de 0,5 deg de la température de l’air ou un accroissement dans l’accumulation hivernale d’à peine plus de 10% (350 mm) sur la moyenne 1920–74 provoquerait la croissance continue de ces glaciers.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Zur Berechnung der jährlichen Gletscherbilanz in der North Cascade Range von Washington wurden zwei Modelle entworfen, die sich auf Standard-Beobarhtungen des Niederschlags, der Temperatur und des Abflusses auf niedrig gelegenen Wetter- und Pegelstationen stützen. Die Vorhersage der Bilanz für die Gletscher des Thunder Creek Basin, abgeleitet aus einem Modell für Abfluss und Niederschlag der Periode 1920–74, wird mit Bilanzen verglichen, die aus einem Modell für Niederschlag und Temperatur für dieselbe Periode vorhergesagt wurden. Jährliche Bilanzen der zweiten Art werden auch mit Bilanzen verglichen, die am South Cascade Glacier seit 1958 mit Feldmethoden gemessen wurden. Im zweiten Modell wird die Schneeakkumulation im Winter (Winterbilanz) aus dem Winter- (Oktober–April)-Niederschlag bestimmt, der an der Wetterstation Snoqualmie Falls gemessen wurde. Die Ablalion im Sommer (Mai–September) auf den Gletschern (Sommerbilanz) wird mit Hilfe einer Methode abgeschätzt, die maximale und minimale Lufttemperaturen, ebenfalls in Snoqualmie Falls gemessen, heranzieht. Die Ablationsrechnungen berücksichtigen die Wolkendecke im Sommer unter Anwendung einer Beziehung zwischen der Wolkendecke und der täglichen Schwankung der Lufttemperatur.

Das erste Modell wurde zur Ermittlung der jährlichen Massenänderung von 1884 bis 1974 sowohl am South Cascade Glacier wie für die Thunder Creek Gletschern herangezogen. Die Schwankungen der Eismassen während dieser Periode stimmen im allgemeinen mit historischen Beobachtungen überein und zeigen, dass ein ausgesprochener Wechsel im Gletscherverhalten von deutlichem Rückgang zu Stabilität oder gar Vorstoss um 1945 eintrat. In der Periode von 1900 bis 1945 verlor der South Cascade Glacier Masse mit einer Rate von 1,4 m pro Jahr, die Thunder Creek Gletschern, die in grösserer Höhe liegen, 1,1 m pro Jahr.

Diese Modelle lassen annehmen, dass die Beziehung zwischen der Massenbilanz von Gletschern und dem Niederschlag bzw. der Temperatur sehr empfindlich ist. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass eine Abnahme der sommerlichen Lufttemperatur um etwas über 0,5 deg oder eine Zunahme der winterlichen Akkumulation von etwas mehr als 10% (350 mm) gegenüber dem Mittel von 1920–74 ein kontinuierliches Anwachsen dieser Gletscher zur Folge hätten.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1980
Figure 0

Fig. 1.Location of South Cascade Glacier, the drainage basins, and the weather stations in the North Cascades that were used in the development of the climate–glacier model.

Figure 1

Fig. 2.The Thunder Creek basin. This drainage is 272 km2 in area, has a mean altitude of 1558 m, and contains 51 glaciers with a total area of 39.4 km2 (14.5% of the total drainage area). The mean altitude of the glacierized area is 2120 m. Glacier boundaries are those of 1970, interpreted from aerial photographs by Austin Post.

Figure 2

Table I.Annual balances of the Thunder Creek glaciers and annual, winter, and summer balances of South Cascade Glacier determined by the PT and RP models and by field measurements(Note: Values are in meters of water equivalent)

Figure 3

Fig. 3.Cumulative balances for the Thunder Creek glaciers (upper curves) and South Cascade Glacier (lower curves) for the 1884–1974 period. The solid lines are cumulative annual balances derived from the precipitation–temperature model. The dashed curve for the Thunder Creek glaciers is from balances calculated by the run-off model. (1920–74). The dashed curve for South Cascade Glacier is from actual field measurements of annual balance (1958–74).

Figure 4

Table II.Relation between symbols used in this paper and standard balance terminology

Figure 5

Fig. 4.The relation between monthly mean cloud cover at Stampede Pass and the range between the mean monthly maximum and minimum temperatures at Snoqualmie Falls. Cloud cover is an average based on six observations per day, and temperatures are an average of daily maximum and minimum observations. The correlation coefficient for this sample is 0.87. The period used was 1958–73.

Figure 6

Fig. 5.Annual values of mean summer (May–September) temperature at Snoqualmie Falls (Ts), and mean summer cloudcover fraction at Stampede Pass (n) (based on the relationship between cloud cover at Stampede Pass and temperature at Snoqualmie Falls). Winter (October–April) balance (Bw*) is for South Cascade Glacier, based on winter precipitation at Snoqualmie Falls. The summer balance is that determined by the PT model for South Cascade Glacier and the Thunder Creek glaciers. The mean value of each variable (except annual balances) is given for the period 1884–1974. Positive deviations from this mean are shaded.

Figure 7

Table III.Results of fitting annual balances to precipitation and temperature by Equation (14) for the period 1920–74

Figure 8

Fig. 6.Measured (horizontal axis) versus predicted (vertical axis) annual balances for South Cascade Glacier for the 1958–74 period. The standard error limits for both methods are given for each determination of balance.

Figure 9

Fig. 7.Sensitivity of annual balance of the Thunder Creek glaciers to the three main climate variables that are related to glacier mass changes. Cloud-cover fraction (upper), related to the difference between mean summer maximum and minimum temperatures at Snoqualmie Falls, appears to be less important than meam summer temperatures (middle), adjusted to mean glacier altitude by an observed summer lapse rate of 0.4 deg/100 m, and winter precipitation (lower). The mean and standard deviation (SD) of each variable are given so that direct comparisons of the significance of each variable can be made.

Figure 10

Table IV.The climatic conditions during periods of expansion, shrinkage, and stability of the Thunder Creek glaciers