Assessment of climate-glacier interactions and related atmospheric processes in the Antarctic Peninsula region using numerical model output and in-situ observations

Mgr. Michael Matějka, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Oblast Antarktického poloostrova (AP) zaznamenala na konci 20. století rychlý nárůst teploty a ztrátu ledovcové hmoty. Po přechodném ochlazení počátkem 21. století došlo přibližně od r. 2015 k obnovení oteplování. Místní ledovce jsou známé vysokou citlivostí na kolísání klimatu a dlouhá letní období vysokých teplot. Změny v intenzitě tání ledovců mají dopad i na další složky místních geo- a eko-systémů odledněných a pobřežních území. Tato disertační práce, skládající se z pěti recenzovaných publikací je zaměřená na validaci numerického modelu atmosféry Weather Research and Fore-casting (WRF). Model byl validován pomocí měření teploty vzduchu, rychlosti větru, radiační bilance, srážek a výšky sněhu získaných z husté sítě automatických meteorologických stanic v severní části ostrova Jamese Rosse. V rámci validace byla porovná-na přesnost několika schémat pro planetární mezní vrstvu a zhodnoceny potenciální přínosy zvýšení rozlišení modelového gridu ze 700 m na 300 m. Výsledky validace ukazují, že model dokáže velmi dobře simulovat meteorologické podmínky při většině analyzovaných situací. Význačnou výjimkou byly přízemní inverze teploty vzduchu, při kterých měl model tendenci nadhodnocovat teplotu vzduchu i rychlost větru blízko okraje jezera studeného vzduchu. Validovaný model WRF následně poskytl náhled na procesy a dopady řetězených fénových událostí, které způsobily extrémní ablaci v oblasti severovýchodního AP v létě 2022/23. Pomocí sledování zpětných trajektorií a dalších analýz bylo ukázáno, že hlavní mechanismus fénu byl isentropic drawdown (stažení potenciálně teplejšího vzduchu z vyšších hladin), přičemž význam uvolnění latentního tepla byl omezený. Extrémní ablace ledovců v zasažené oblasti byla podle modelových výstupů primárně způsobená turbulentním tokem tepla a kladnou bilancí záření. Model byl dále použit pro odhad srážek v experimentálním, částečně odledněném, povodí na ostrově Jamese Rosse během období 2010–2021. Tento dataset představoval jeden ze vstupů do hydrologického modelu HBV, jehož výstup ukázal na přítomnost dvou maxim v sezónním odtoku – k prvnímu, způsobenému především táním sněhu, dochází v listopadu, druhé v únoru je důsledkem kombinace tání sněhu a ledovce. Při analýze vztahů klimatických a hydrologických charakteristik byla zjištěna významná korelace (p<0.05) mezi roční sumou pozitivních teplot a celkovým odtokem a též mezi roční sumou pozitivních teplot a příspěvkem tání ledovce k celkovému odtoku.

Abstract:

The Antarctic Peninsula (AP) region was subject to rapid warming and glacier mass loss during the late 20th century. After a transient cooling in the early 21st century, the warming trend was restored since ~2015. The local glaciers are known to be very sensitive to climate fluctuations and prolonged summer heatwaves. The glacier melt changes also affect local geo- and eco-system components of the deglaciated and coastal sites in the region. This thesis, consisting of five peer-reviewed articles, is dedicated to validating the state-of-the-art numerical atmospheric model Weather Research and Forecasting (WRF). The model was verified using observations of air temperature, wind speed, net radiation, precipitation and snow height obtained from a dense network of automatic weather stations on northern James Ross Island. The performance of multiple planetary boundary layer schemes and the possible benefits of increasing model grid resolution from 700 m to 300 m were evaluated. The results show that the WRF model was able to simulate meteorological conditions in the study area with very good accuracy under most evaluated scenarios. A notable exception occurred during strong low-level air temperature inversions, when the model tended to overestimate both air temperature and wind speed near the boundary of a cold-air pool. After this verification, the WRF model gave valuable insights into processes and impacts of chained foehn events, which caused extreme ablation in the northeastern AP region in the summer of 2022/23. Using backward-trajectory tracing, besides other analyses, it was shown that the leading foehn mechanism was isentropic drawdown with a minor contribution from latent heat release. Based on the model output, the extreme glacier ablation was driven primarily by sensible heat flux and net radiation. Furthermore, the WRF model was run to estimate precipitation series for an experimental, partly deglaciated, catchment on James Ross Island in 2010–2021. This dataset forced a hydrological model, HBV (besides other inputs). The HBV model output revealed two peaks in seasonal runoff – the first one driven primarily by snowmelt in November and the second one driven by combined snowmelt and glacier melt in February. An analysis of climatological and hydrological parameters revealed a significant correlation (p<0.05) between the annual sum of positive air temperatures and glacier melt contribution to runoff and between the annual sum of positive air temperatures and total runoff.

Keywords

WRF model, ostrov Jamese Rosse, Antarktický poloostrov, mezoměřítkové jevy, mechanismus fénového proudění, ablace ledovců, tání sněhu, James Ross Island, Antarctic Peninsula, mesoscale phenomena, foehn wind mechanism, glacier ablation, snowmelt

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 14. 7. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 16. 9. 2025
• Vedoucí: doc. Mgr. Kamil Láska, Ph.D.
• Oponent: Dr. Sergi Gonzàlez Herrero, prof. dr hab. Marek Kejna

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzická geografie / Fyzická geografie