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Erts Data in Glaciology—An Effort to Monitor Glacier Mass Balance from Satellite Imagery

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Gunnar Østrem*
Affiliation:
Hydrologisk Avdeling, Norges Vassdrags- og Elektrisitelsvesen, Postboks 5091-Mj., Oslo 3, Norway and Naturgeografiska Institutionen, Stockholms Universitet, Box 6801, 11386 Stockholm, Sweden
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Abstract

Due to increased demand for electric energy, which in Norway is produced almost entirely by hydro-electric power plants, extensive glacierized basins are now considered for future power production, However, glacier behaviour has a great impact on the annual run-off from these basins, and information about expected annual deviations from a “normal” discharge must be obtained from mass-balance studies on representative glaciers within the basin. For this reason such studies are presently performed at eight selected Norwegian glaciers; the costs involved are in the order of $3 000-$10 000 annually for each observed glacier.

The transient snow line can be identified easily on conventional air photographs and its height determined by direct comparisons with reliable topographie maps (with contour lines on glaciers). The resolution in ERTS images is sufficiently good to use the satellite data for a similar height determination of the transient snow line on glaciers—at least on the larger valley glaciers and, of course, on ice caps.

Due to an existing correlation between the height of the transient snow line (at the end of the melt season) and the annual specific net mass balance, it is possible to construct a diagram expressing this relationship, provided detailed mass-balance studies have been performed during a period of several years of different mass-balance conditions (ideally comprising both years of negative and of positive net balances). Determinations of the transient snow-line height based upon ERTS data, obtained at the end of the summer season, can then be used to determine the mass balance for those glaciers where the above-mentioned relationship is established. This would be a great advantage in cases where there is a request for information on the net balance only; no separate data on winter balance or summer balance will be obtained by this method.

Experiments have been performed to delineate the transient snow line on glaciers directly from ERTS digital data (CCT magnetic tape). The results indicate that last winter’s snow is characterized by grey-levels 41-48 (of 63 possible grey-scale levels) on MSS-7, whereas exposed glacier ice is represented by levels 13—20 in the same multi-spectral band. Snow and ice can also be separated on MSS-4, but the difference in grey-scale levels between the two materials is much smaller.

Résumé

Résumé

En raison de la demande accrue d’énergie électrique qui, en Norvège, est presque entièrement d’origine hydro-électrique, de grands bassins englacés sont actuellement examinés du point de vue de leurs possibilités de production future d’énergie. Quoiqu’il en soit, les comportements des glaciers ont une influence importante sur les écoulements annuels en provenance de ces bassins et une prévision des variations annuelles attendues par rapport à un débit “normal” peut être basée sur des études de bilans dans des glaciers représentatifs du bassin. C’est pourquoi, de telles études sont actuellement conduites sur huit glaciers sélectionnés en Norvège; les coûts annuels sont de l’ordre de 3 000 à 18 000 $ annuellement pour chaque glacier observé.

La ligne provisoire des névés peut facilement être identifiée sur des photographies aériennes conventionnelles et sa hauteur repérée par des comparaisons directes avec des caries topographiques valables (avec courbes de niveau sur le glacier). La résolution des images ERTS est assez bonne pour utiliser les données du satellite pour déterminer de la même manière la hauteur de la ligne provisoire des névés sur les glaciers — au moins sur les plus larges glaciers de vallée et, bien sûr, sur les calotte glaciaires.

Comme il y a une corrélation entre la hauteur de la ligne provisoire des névés (à la fin de la saison d’ablation) et le bilan spécifique net annuel, on peut construire un diagramme exprimant cette relation, pourvu que des études détaillées de bilan aient été poursuivies pendant plusieurs années à bilans différents (comprenant si possible des bilans positifs et des bilans négatifs). Si cette relation est connue, on peut alors utiliser les déterminations de la ligne provisoire des névés en fin d’été pour estimer les bilans de ces glaciers. Ceci serait d’une grande utilité au cas où l’on n’aurait besoin que du bilan annuel; mais cette méthode ne permet pas de distinguer séparément les apports d’été et d’hiver.

On a essayé de distinguer la ligne provisoire des névés sur les glaciers directement à partir des données digitales de ERTS (touches magnétiques CCT). Les résultats montrent que la neige du dernier hiver est caractérisée par un degré de gris 41 à 48 (parmi les 63 degrés possibles de l’échelle des gris) sur le MSS-7 tandis que la glace de glacier découverte est représentée par des degrés 13 à 20 sur la même bande multi-spectrale. La neige et la glace peuvent aussi être séparées par le MSS-4, mais la différence dans les degrés de l’échelle des gris des deux matériaux est beaucoup plus petite.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Infolge des erhöhten Bedarfes an elektrischer Energie, die in Norwegen fast ausschliesslich in Wasserkraftwerken erzeugt wird, werden jetzt stark vergletscherte Täler im Hinblick auf zukünftige Energieproduktion untersucht. Das Verhalten der Gletscher ist von grosser Bedeutung für den jährlichen Abfluss aus diesen Tälern; Daten über voraussichtliche jährliche Abweichungen von einem “normalen”'Abfluss müssen aus Massenhaushaltsstudien an repräsentativen Gletschern innerhalb des Einzugsgebietes gewonnen werden. Deshalb werden derzeit solche Studien an 8 ausgewählten norwegischen Gletschern durchgeführt. Die anfallenden Kosten liegen in der Grössenordnung von 3000-10000 Dollar pro Jahr für jeden beobachteten Gletscher.

Die temporäre Schneegrenze kann leicht in konventionellen Luftbildern festgestellt, ihre Höhe durch direkten Vergleich mit zuverlässigen topographischen Karten (mit Höhenlinien auf den Gletschern) bestimmt werden. Die Auflösung in ERTS-Bildern ist hoch genug, um die Satellitendalen Tür eine ähnliche Höhenbestimmung der temporären Schneegrenze auf Gletschern zu ermitteln — zumindest auf grösseren Talgletschern und natürlich auf Eisschilden.

Infolge der Korrelation zwischen der Höhe der temporären Schneegrenze (am Ende der Schmeizperiode) mit dem jährlichen spezifischen Nettomassenhaushalt ist es möglich, ein Diagramm für diese Beziehung zu konstruieren, vorausgesetzt, dass sorgfältige Massenhaushaltsstudien über eine mehrjährige Periode mit unterschiedlichen Haushaltsbedingungen vorliegen; im Idealfalt sollten sie sowohl Jahre mit negativem wie mit positivem Nettohaushalt umfassen. Bestimmungen der Höhe der temporären Schneegrenze aus ERTS-Bildern vom Knde der sommerlichen Jahreszeit können dann zur Ermittlung des Massenhaushaltes für solche Gletscher herangezogen werden, bei denen die erwähnte Beziehung bekannt ist. Das bedeutet einen grossen Vorteil in den Fällen, wo nur die Kenntnis der Nettobilanz benötigt wird; zwischen Winter-und Sommerhaushalt wird dann nicht unterschieden.

Es wurden Versuche zur Kartierung der temporären Schneegrenze auf Gletschern unmittelbar aus den digitalen ERTS-Datcn (GGT-Magnetband) unternommen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Schnee des letzten Winters durch die Grauwerte 41-48 (bei 03 möglichen Werten auf der Grauskala) im Spektralband 7 gekennzeichnet ist, während nacktes Gletschereis mit den Werten 13-20 im selben Spcktralband wiedergegeben wird. Schnee und Eis können auch im Spektralband 4 unterschieden werden, doch ist der Unterschied zwischen den Grauwerten für beide Materialien hier viel kleiner.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1975
Figure 0

Fig. 1.It is proposed to utilize melt water from the north-eastern part of the ice-cap Jostedalsbreen and adjacent glaciers to produce hydro-electric energy in a power station at the lake Loenvatn (middle left). A system of tunnels collects water from numerous rivers in the area and some of the natural lakes will he dammed to form storage basins for power production in the winter.

Figure 1

Fig. 2.The transient snow line can be seen an air photographs as the lower border of last winter’s snow. In years of heavy snow accumulation or little summer melt (or both) it does not climb very high up on the glacier (middle picture). In a year with more normal conditions it may reach a position close In the equilibrium line of the glacier at the end of the summer season (left-hand picture). During exceptionally hot summers it might reach the very highest parts of the glacier (right-hand picture). The pictures show the glacier Stuor Räitavagge in Sweden, approx. scale 1: 50 000.

Figure 2

Fig. 3.From the ERTS image. No. 1336-10260 it was possible to determine areas of exposed ice on five outlet glaciers. The transient snow line appeared this year at an unusually low altitude due to heavy snowfalls lute in the spring.

Figure 3

Fig. 4.The height of the transient snow line was determined on 36 individual glaciers and contours were drawn for a theoretical surface intersecting the landscape at a height corresponding to the transient snow line position as of 14 August 1972.

Figure 4

Fig. 5.From two ERTS images obtained on two consecutive days a similar determination was made as shown in Figure 4, this time on 40 glaciers. When contour lines were drawn a similar pattern was found as for the situation obtained in 1972. Note that some glaciers always show a snow-line height deviating from the “normal”. For example, in both years the Mummery Glacier showed an altitude 100 m lower than could be expected in that area, whereas an unnamed glacier south west of Kinbasket Lake indicated both years too high a figure. Apart from stich single deviations, the transient snow line will be located at similar altitudes within the same mountain massif (as of a given day).

Figure 5

Fig. 6.Fig. G. A part of ERTS image. No. 1332-18185 taken on 9 August 1973 over the Canadian Rocky Mountains showing the Saskatchewan and Athabasca Glaciers (left). The map is redrafted from the Canadian Topographic Map System 83 C 3-Columbia Icefield (right). Transient snow lines can he seen on the image, and their altitude determined from the contour map. Compare Figures 4 and 5, where results for larger regions are shown. Contour heights are shown in feet on this map, but were converted to metres when results were plotted on Figures 4 and 5

Figure 6

Fig. 7.Part of ERTS image No. 1741-18045 taken on 3 August 1974, showing the Columbia Icefield and its outlet glacier..

Figure 7

Fig. 8.There is a definite relation between the height of the equilibrium line at the end of the ablation season and the specific net mass balance. This diagram is based upon annual mass-balance investigations performed by the Canadian Department of Energy, Mines and Resources and Department of the Environment since 1965 (personal communication from A. Stanley).

Figure 8

Fig. 9.Correlation diagrams for some Scandinavaian glaciers were construct to demonstrate the relation between the height of the equilibrium live and specific mass balance. In some cases a single year’s observations are missing, because it happened that the transient snow line was located below or above the glacier (i.e. the glacier was completely snow-covered or snow-free at the end of the summer), and thus its height could not be defined.

Figure 9

Fig. 10.A “map” produced by a computer line printer from ERTS-I digital data (MSS-7). The white areas represent last winter’s snow whereas grey areas represent exposed glacier ice on the ice cap Seilandsjøkulen in northern Norway. Darker areas indicate bedrock or water. Each letter or sign {with a surrounding rim) indicates one “pixel” which covers 56m X 79 m on the ground. Approximate scale 1: 50 000. The computer program used for the construction of this map was written by I. Akersten.