Celia Amélie Baumhoer

• The Antarctic Ice Sheet stores ~91% of the global ice volume which is equivalent to a sea-level rise of 58.3 meters. Recent disintegration events of ice shelves and retreating glaciers along the Antarctic Peninsula and West Antarctica indicate the current vulnerable state of the Antarctic Ice Sheet. Glacier tongues and ice shelves create a safety band around Antarctica with buttressing effects on ice discharge. Current decreases in glacier and ice shelf extent reduce the effective buttressing forces and increase ice discharge of grounded ice.The Antarctic Ice Sheet stores ~91% of the global ice volume which is equivalent to a sea-level rise of 58.3 meters. Recent disintegration events of ice shelves and retreating glaciers along the Antarctic Peninsula and West Antarctica indicate the current vulnerable state of the Antarctic Ice Sheet. Glacier tongues and ice shelves create a safety band around Antarctica with buttressing effects on ice discharge. Current decreases in glacier and ice shelf extent reduce the effective buttressing forces and increase ice discharge of grounded ice. The consequence is a higher contribution to sea-level rise from the Antarctic Ice Sheet. So far, it is unresolved which proportion of Antarctic glacier retreat can be attributed to climate change and which part to the natural cycle of growth and decay in the lifetime of a glacier. The quantitative assessment of the magnitude, spatial extent, distribution, and dynamics of circum-Antarctic glacier and ice shelf retreat is of utmost importance to monitor Antarctica’s weakening safety band. In remote areas like Antarctica, earth observation provides optimal properties for large-scale mapping and monitoring of glaciers and ice shelves. Nowadays, the variety of available satellite sensors, technical advancements regarding spatial resolution and revisit times, as well as open satellite data archives create an ideal basis for monitoring calving front change. A systematic review conducted within this thesis revealed major gaps in the availability of glacier and ice shelf front position measurements despite the improved satellite data availability. The previously limited availability of satellite imagery and the time-consuming manual delineation of calving fronts did neither allow a circum-Antarctic assessment of glacier retreat nor the assessment of intra-annual changes in glacier front position. To advance the understanding of Antarctic glacier front change, this thesis presents a novel automated approach for calving front extraction and explores drivers of glacier retreat. A comprehensive review of existing methods for glacier front extraction ascertained the lack of a fully automatic approach for large-scale monitoring of Antarctic calving fronts using radar imagery. Similar backscatter characteristics of different ice types, seasonally changing backscatter values, multi-year sea ice, and mélange made it challenging to implement an automated approach with traditional image processing techniques. Therefore, the present abundance of satellite data is best exploited by integrating recent developments in big data and artificial intelligence (AI) research to derive circum-Antarctic calving front dynamics. In the context of this thesis, the novel AI-based framework “AntarcticLINES” (Antarctic Glacier and Ice Shelf Front Time Series) was created which provides a fully automated processing chain for calving front extraction from Sentinel-1 imagery. Open access Sentinel-1 radar imagery is an ideal data source for monitoring current and future changes in the Antarctic coastline with revisit times of less than six days and all-weather imaging capabilities. The developed processing chain includes the pre-processing of dual-polarized Sentinel-1 imagery for machine learning applications. 38 Sentinel-1 scenes were used to train the deep learning architecture U-Net for image segmentation. The trained weights of the neural network can be used to segment Sentinel-1 scenes into land ice and ocean. Additional post-processing ensures even more accurate results by including morphological filtering before extracting the final coastline. A comprehensive accuracy assessment has proven the correct extraction of the coastline. On average, the automatically extracted coastline deviates by 2-3 pixels (93 m) from a manual delineation. This accuracy is in range with deviations between manually delineated coastlines from different experts. For the first time, the fully automated framework AntarcticLINES enabled the extraction of intra-annual glacier front fluctuations to assess seasonal variations in calving front change. Thereby, for example, an increased calving frequency of Pine Island Glacier and a beginning disintegration of Glenzer Glacier were revealed. Besides, the extraction of the entire Antarctic coastline for 2018 highlighted the large-scale applicability of the developed approach. Accurate results for entire Antarctica were derived except for the Western Antarctic Peninsula where training imagery was not sufficient and should be included in future studies. Furthermore, this dissertation presents an unprecedented record of circum-Antarctic calving front change over the last two decades. The newly extracted coastline for 2018 was compared to previous coastline products from 2009 and 1997. This revealed that the Antarctic Ice Sheet shrank 29,618±1193 km2 in extent between 1997-2008 and gained an area of 7,108±1029 km2 between 2009-2018. Glacier retreat concentrated along the Antarctic Peninsula and West Antarctica. The only East Antarctic coastal sector primarily experiencing calving front retreat was Wilkes Land in 2009-2018. Finally, potential drivers of circum-Antarctic glacier retreat were identified by combining data on glacier front change with changes in climate variables. It was found that strengthening westerlies, snowmelt, rising sea surface temperatures, and decreasing sea ice cover forced glacier retreat over the last two decades. Relative changes in mean air temperature could not be identified as a driver for glacier retreat and further investigations on extreme events in air temperature are necessary to assess the effect of atmospheric forcing on frontal retreat. The strengthening of all identified drivers was closely connected to positive phases of the Southern Annular Mode (SAM). With increasing greenhouse gases and ozone depletion, positive phases of SAM will occur more often and force glacier retreat even further in the future. Within this thesis, a comprehensive review on existing Antarctic glacier and ice shelf front studies was conducted revealing major gaps in Antarctic calving front records. Therefore, a fully automated processing chain for glacier and ice shelf front extraction was implemented to track circum-Antarctic calving front fluctuations on an intra-annual basis. The large-scale applicability was certified by presenting two decades of circum-Antarctic calving front change. In combination with climate variables, drivers of recent glacier retreat were identified. In the future, the presented framework AntarcticLINES will greatly contribute to the constant monitoring of the Antarctic coastline under the pressure of a changing climate.…
• Der antarktische Eisschild speichert ~91 % des globalen Eisvolumens. Ein gänzliches Abschmelzen des Eisschildes hätte global einen Meeresspiegelanstieg von 58,3 Metern zur Folge. Der aktuelle Zerfall von Eisschelfen und der Gletscherrückgang entlang der Antarktischen Halbinsel und Westantarktis verdeutlichen den vulnerablen Status des antarktischen Eisschildes. Gletscherzungen und Eisschelfe säumen die antarktische Küstenlinie und halten die Eisströme Richtung Ozean zurück. Ein Rückzug der Eisschelfe und Gletscher vermindert den RückhalteeffektDer antarktische Eisschild speichert ~91 % des globalen Eisvolumens. Ein gänzliches Abschmelzen des Eisschildes hätte global einen Meeresspiegelanstieg von 58,3 Metern zur Folge. Der aktuelle Zerfall von Eisschelfen und der Gletscherrückgang entlang der Antarktischen Halbinsel und Westantarktis verdeutlichen den vulnerablen Status des antarktischen Eisschildes. Gletscherzungen und Eisschelfe säumen die antarktische Küstenlinie und halten die Eisströme Richtung Ozean zurück. Ein Rückzug der Eisschelfe und Gletscher vermindert den Rückhalteeffekt und führt zu zunehmenden Gletscher-Fließgeschwindigkeiten in Richtung Ozean. Der dadurch verursachte Masseverlust trägt zum globalen Meeresspiegelanstieg bei. Bislang ist ungeklärt, welcher Anteil des antarktischen Gletscherrückgangs auf den Klimawandel und welcher auf den natürlichen Kalbungszyklus der Gletscher und Eisschelfe zurückzuführen ist. Aufgrund des vermehrten Zerfalls von Eisschelfen in den letzten Dekaden ist es von großer Wichtigkeit, den Gletscherrückgang zu quantifizieren und dessen Ausmaß, räumlichen Ausdehnung, Verteilung und Dynamik zirkumantarktisch zu erfassen, um mögliche Auswirkungen auf den Meeresspiegelanstieg frühzeitig zu erkennen. In abgelegenen Regionen wie der Antarktis bietet die Erdbeobachtung optimale Voraussetzungen für das großflächige Kartieren und Beobachten von Gletschern und Eisschelfen. Heute stellt die Fülle an frei-verfügbaren Satellitendaten verschiedener Sensoren, in Kombination mit technischen Neuerungen hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Abdeckung, eine ideale Basis für das Monitoring der Kalbungsfronten dar. Trotz der guten Datenverfügbarkeit hat ein umfassender Literaturüberblick − welcher im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt wurde − große Lücken in der Verfügbarkeit von Gletscher- und Eisschelffrontpositionsmessungen festgestellt. Die zuvor limitierte Verfügbarkeit von Satellitendaten und die zeitaufwändige manuelle Ableitung der Küstenlinie machten eine zirkumantarktische Beurteilung des Gletscherrückgangs und die intra-annuelle Analyse von Gletscherfrontpositionen unmöglich. Für ein besseres Verständnis antarktischer Gletscherfrontveränderungen, präsentiert diese Dissertation ein neues, automatisiertes Konzept zur Kalbungsfrontextraktion und untersucht ob klimatische Faktoren für den beobachteten Kalbungsfrontenrückgang verantwortlich sind. Anhand des Literaturüberblicks konnte festgestellt werden, dass bis dato kein komplett automatisiertes Verfahren für die Gletscherfrontextraktion aus großvolumigen Radarsatellitenbildern bestand. Ähnliche Rückstreuwerte von verschiedenen Eistypen, saisonal veränderliche Rückstreuwerte, mehrjähriges Meereis und Eis-Mélange erschwerten die Entwicklung eines automatisierten Ansatzes mit traditionellen Bildverarbeitungsansätzen. Doch die Neuerungen in den Bereichen „Big Data“ und der künstlichen Intelligenz (KI) ermöglichen es, die heutige Fülle an Satellitendaten für die Ableitung von Kalbungsfronten zu nutzen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde das neuartige Framework “AntarcticLINES” (Antarctic Glacier and Ice Shelf Front Time Series) kreiert, welches eine komplett automatisierte, KI-basierte Prozessierungskette für die Gletscherfrontenextraktion von Sentinel-1 Daten beinhaltet. Frei verfügbare Sentinel-1 Daten sind ideal, um derzeitige und zukünftige Veränderungen der antarktischen Küstenlinie zu beobachten, da die Orbitwiederholrate weniger als sechs Tage beträgt und die Bildgebung wetterunabhängig ist. Die entwickelte Prozessierungskette beinhaltet die Vorprozessierung, Maskierung und Zerlegung der Satellitenbilder in kleinere Kacheln. Es wurden 38 Sentinel-1 Szenen genutzt, um die Deep Learning Architektur U-Net für eine Bildsegmentierung zu trainieren. Die trainierten Gewichte des Neuronalen Netzes können genutzt werden, um Sentinel-1 Szenen in die Klassen Ozean und Eis zu segmentieren. Eine zusätzliche Nachprozessierung ermöglicht noch genauere Ergebnisse durch morphologisches Filtern, bevor die finale Küstenlinie zwischen den beiden Klassen extrahiert wird. Eine umfangreiche Genauigkeitsauswertung hat ergeben, dass die automatisch abgeleitete Küstenlinie im Mittel 2-3 Pixel (93 m) von einer manuell abgeleiteten Küstenlinie abweicht. Diese Genauigkeit ist im Rahmen der durchschnittlichen Abweichungen von manuell abgeleiteten Küstenlinien verschiedener Experten. Erstmals ermöglicht das Framework AntarcticLINES die automatisierte Extraktion von intra-annuellen Gletscherfrontfluktuationen, um saisonale Variationen in der Kalbungsfrontänderung zu untersuchen. Dadurch konnte beispielsweise eine erhöhte Kalbungsfrequenz des Pine-Island-Gletschers festgestellt werden. Die Extraktion der antarktischen Küstenlinie für 2018 zeigt die mögliche Anwendung der entwickelten Methodik für großräumige Gebiete. Für den Großteil der Antarktis wurden genaue Ergebnisse erzielt, lediglich entlang der westlichen Antarktischen Halbinsel fehlten Trainingsdaten, welche in zukünftigen Studien inkludiert werden sollten. Darüber hinaus präsentiert diese Dissertation einen bis dato beispiellosen Datensatz zu zirkumantarktischen Veränderungen der Kalbungsfronten über die letzten zwei Jahrzehnte. Die neu extrahierte Küstenlinie für das Jahr 2018 wurde mit früheren Küstenlinienprodukten von 2009 und 1997 verglichen. Dies hat offengelegt, dass der Antarktische Eisschild zwischen 1997 und 2008 eine Fläche von 29,618±1193 km2 verlor und zwischen 2009 und 2018 eine Fläche von 7,108±1029 km2 dazugewann. Der Gletscherrückgang konzentrierte sich entlang der Antarktischen Halbinsel und der Westantarktis. Der einzige ostantarktische Sektor, in dem sich simultaner Gletscherrückgang zeigte, war Wilkes Land in den Jahren 2009 bis 2018. Im Anschluss wurden Ursachen für den Antarktischen Gletscherrückgang durch die Korrelation mit Klimavariablen identifiziert. Zunehmende Westwinde, Schneeschmelze, ansteigende Meeresoberflächentemperaturen und zurückgehendes Meereis begünstigten den Gletscherrückgang in den letzten zwei Dekaden. Relative Veränderungen in der durchschnittlichen Lufttemperatur konnten nicht als Ursache für den Gletscherrückgang identifiziert werden und weiter Analysen zu Extremereignissen in der Lufttemperatur sind nötig um Frontveränderungen verursacht durch atmosphärischen Antrieb besser verstehen zu können. Die Verstärkung aller identifizierten Treiber ist eng mit positiven Phasen des Southern Annular Mode (SAM) verbunden. In Anbetracht ansteigender Konzentrationen von Treibhausgasen und dem Ozonrückgang werden positive Phasen des SAMs in Zukunft öfter auftreten, was in Folge den Gletscherrückgang noch weiter vorantreiben kann. Zusammengefasst wurde im Rahmen dieser Dissertation ein umfassender Literaturüberblick zu existierenden Gletscher- und Eisschelffrontstudien durchgeführt, welcher größere Lücken in Kalbungsfrontstudien aufzeigte. Es wurde eine voll-automatisierte Prozessierungskette entwickelt, um zirkumantarktische Kalbungsfrontpositionen intra-annuell beobachten zu können und die Datenlücken zu schließen. In Kombination mit Klimavariablen wurden treibende Kräfte, die den aktuellen Gletscherrückgang begünstigen, identifiziert. In Zukunft wird das präsentierte Framework AntarcticLINES zur konstanten Beobachtung der Antarktischen Küstenlinie eingesetzt, um Veränderungen in Anbetracht eines sich ändernden Klimas zu analysieren.…