Representing grounding-line dynamics in Antarctic ice-sheet models

In this thesis, we first clearly demonstrate that modeling grounding-line (the boundary between grounded and floating ice) migration depends on both the numerical approach and the physical approximation of the ice-sheet model used. Ice-sheet models prescribing the ice flux at the grounding line and using appropriate physical level and numerical approach converge to the same steady-state grounding-line position irrespective of the grid size used. However, the transient behavior of those models is less accurate than other models and leads to an overestimated grounding-line discharge. Therefore, they need to be used with particular attention on short time scales. Furthermore, the non-inclusion of vertical shear stress in those models increases the effective viscosity and gives steady-state grounding-line positions further downstream when compared to full-Stokes models.

The second major finding of this thesis is the high control of geometry (glacier width and bedrock topography) on Thwaites Glacier, one of the fastest-flowing outlet glaciers in West Antarctica. A flowline finite-difference Shallow-Shelf Approximation (SSA) model is applied to the glacier and shows that ice-flow convergence (through width parameterization) slows down the grounding-line retreat when compared to simulations where the width is constant. A new buttressing parameterization is also tested on the glacier and permits a better understanding of this effect. Finally, the three-dimensional version of the model above is applied to Thwaites Glacier and highlights the strong control of lateral variations in bedrock topography on grounding-line migration./Depuis le milieu du 20e siècle, les températures moyennes globales ont fortement augmenté principalement à cause de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine. Les effets de ce réchauffement global récent sont déjà détectables et pourraient s'accentuer dans un futur proche si aucune mesure réelle n'est prise. La perte récente de glace en Antarctique de l'Ouest, enregistrée par mesures satellites et d'autres techniques, est préoccupante dans un monde qui se réchauffe. Une grande partie de cette perte de glace est due à la pénétration de masses d'eau chaude sous les plateformes de glace flottante dans cette région. Cela engendre une accélération de l'écoulement des glaciers émissaires et une plus grande décharge de glace vers l'océan. Ainsi, la contribution récente à la hausse du niveau de la mer de l'Antarctique de l'Ouest s'élève à environ 0.2 mm par an entre 1992 et 2011, c'est-à-dire près du tiers de la contribution des calottes glaciaires (Antarctique et Groenland). On estime que cette contribution va continuer à augmenter dans le futur proche.

Dans cette thèse, nous démontrons clairement que la modélisation de la migration de la ligne d'ancrage (frontière entre glaces posée et flottante) dépend de l'approche numérique et de l'approximation physique du modèle cryosphérique utilisé. Les modèles cryosphériques qui prescrivent le flux glaciaire à la ligne d'ancrage et qui utilisent un niveau de physique et une approche numérique appropriés convergent vers la même position d'équilibre de la ligne d'ancrage quelle que soit la taille de maille utilisée. Cependant, le comportement transitoire de ces modèles est moins précis que d'autres modèles et mène à une surestimation du flux à la ligne d'ancrage. Dès lors, ces modèles doivent être utilisés avec précaution sur de courtes périodes de temps. De plus, la non inclusion des contraintes verticales de cisaillement dans ces modèles augmente la viscosité effective et donne des positions d'équilibre de la ligne d'ancrage plus en aval en comparaison avec les modèles « full-Stokes ».

La seconde découverte majeure de cette thèse est le contrôle important exercé par la géométrie (largeur du glacier et topographie du lit rocheux) sur Thwaites Glacier, l'un des glaciers émissaires les plus rapides en Antarctique de l'Ouest. Un modèle « Shallow-Shelf Approximation » (SSA) résolvant les différences finies le long d'une ligne d'écoulement est appliqué au glacier et montre que la convergence de l'écoulement glaciaire (au travers de la paramétrisation de la largeur) ralentit le retrait de la ligne d'ancrage comparé aux simulations où la largeur est constante. Une nouvelle paramétrisation de l'effet arc-boutant est testée sur le glacier et permet de mieux comprendre cet effet. Finalement, la version en trois dimensions du modèle ci-dessus est appliquée à Thwaites Glacier et met en évidence le contrôle important des variations latérales de l'altitude du lit rocheux sur la migration de la ligne d'ancrage.