MODELLAZIONE DISTRIBUITA DEL BILANCIO ENERGETICO E DELL¿ABLAZIONE DI UN GHIACCIAIO ALPINO:IL GHIACCIAIO DEI FORNI

This research deals with the estimation of the distributed snow and ice ablation amounts at an alpine glacier surface with a diurnal or sub-diurnal temporal resolution. Several methods were applied from the easiest one which depends only on the air temperature to the most exhaustive ones based on the energy budget. For this reason we applied and tested some models to estimate and distribute the meteorological parameters and the energy fluxes. For each analysed variable, the modelled values were compared to the ones measured at the surface of the Forni Glacier (Italian Alps) in order to investigate the reliability of the chosen approach. All the computations were aimed at obtaining the distribution of the factors driving the glacier energy budget on a digital elevation model (DEM) 20 x 20 m grid spaced which describes the surface of an Alpine debris free glacier (the Forni Glacier, Italian Alps). In this way i) the spatial and temporal distribution of air temperature and vapour pressure conditions were evaluated; ii) the spatial distribution of topographic shading and of potential and global solar radiation for selected time intervals was predicted; iii) the distributed incoming infrared radiation was modelled; iv) the distributed turbulent fluxes were assessed; v) the spatial and temporal variations of the energy balance components were investigated; vi) the melt amount over the debris-covered areas was quantified as well; and vii) the short-term energy balance variations of a whole glacierized area can be easily computed. Firstly the point energy and mass balance was modelled from measured (from a supraglacial automatic weather station set up on the tongue of the Forni Glacier, AWS1 Forni) and estimated values. Since the physical processes were assessed at the AWS1 Forni site, the distribution of the melting processes over the Forni Glacier surface was considered. In particular initially a simple degree-day model was applied with respect to the snow ablation focussing on the suitability of the chosen temperature threshold which witnesses melting conditions. In fact, melt does not necessarily occur at daily average air temperatures higher than 273.15 K, since it is determined by the surface energy budget which in turn is only indirectly affected by air temperature. Several enhanced T-index models including solar radiation were considered as well. A new enhanced T-index model including infrared radiation was developed to evaluate distributed ice melt and compared with the other T-index methods. Different approaches were further tested to distribute the input meteorological and energy data driving the enhanced T-index methods (i.e. air temperature, solar and infrared radiation), which should allow a wider application of this approach upon glaciers not equipped with AWS, or without a net radiometer, necessary to directly measure infrared flux. Moreover, the parameters affecting temporal and spatial albedo variability were considered: sparse and fine debris and dust, and rainfalls. In particular a method to investigate the characteristics of sparse and fine debris coverage at the glacier melting surface and its relation to ice albedo was proposed. In fact despite the abundant literature dealing with dust and black carbon deposition on glacier accumulation areas, few studies that describe the distribution and properties of fine and discontinuous debris and black carbon at the melting surface of glaciers are available. A protocol to i) sample fine and sparse supraglacial debris and dust, ii) quantify its surface coverage, iii) describe its composition and sedimentological properties, iv) measure ice albedo, and v) identify the relationship between albedo and fine debris coverage, was developed. The distribution of the turbulent fluxes was also investigated. The main focuses were the distribution of the vapour pressure and the assessment of the katabatic and the back-ground turbulent exchange coefficients. Finally the melting conditions and rate were also assessed over the glacier debris-covered area, which in the case of the Forni Glacier corresponds to the medial moraines. In this case a simple approach was applied based on the fact that the conductive heat flux depends on the temperature gradient from debris surface to ice.

Scopo di questo lavoro è stata la modellazione distribuita della fusione della neve e/o del ghiaccio sulla superficie di un ghiacciaio alpino (il Ghiacciaio dei Forni, Italia). A questo scopo sono stati applicati diversi metodi partendo dal più semplice (che dipende solo dalla temperatura dell’aria) a quelli più sofisticati (basati sul bilancio energetico). Sono stati applicati e testati, quindi, alcuni modelli per stimare e spazializzare i parametri meteorologici e i flussi energetici. Per ogni variabile analizzata, sono stati confrontati i valori modellizzati con quelli effettivamente misurati: in questo modo è stato possibile investigare l’affidabilità degli approcci scelti. Tutte le elaborazioni per la distribuzione dei parametri in ingresso che permettono la quantificazione del bilancio energetico superficiale sono state applicate a tutte le celle di un modello di elevazione digitale (DEM) con maglia 20 m x 20 m che descrive la superficie del Ghiacciaio dei Forni (Alpi Italiane). In questo modo è stato possibile i) valutare le condizioni distribuite spazialmente e temporalmente di temperatura dell’aria e di pressione di vapore; ii) predire in determinati intervalli di tempo la distribuzione spaziale sia dell’ombreggiamento dovuto alla topografia circostante che della radiazione solare potenziale e globale; iii) modellare la radiazione infrarossa in arrivo dall’atmosfera; iv) definire i flussi turbolenti distribuiti; v) investigare le variazioni sia spaziali che temporali dei componenti del bilancio energetico; vi) quantificare i tassi di fusione anche nelle porzioni coperte da detrito; e vii) predisporre tutti i dati input necessari per calcolare le variazioni distribuite ad alta risoluzione temporale del bilancio energetico di tutta un’area glacializzata. Il primo passaggio è consistito nel definire a livello puntuale il modello di bilancio energetico e, quindi, di massa a partire sia da dati misurati (attraverso una stazione meteorologica automatica supraglaciale installata sulla lingua del Ghiacciaio dei Forni, AWS1 Forni) sia da valori stimati. Una volta che sono stati ben definiti a livello puntuale i processi fisici coinvolti nella fusione, si è passati alla distribuzione degli stessi. Si è partiti dal modello di ablazione più semplice (T-index o degree-day) focalizzando lo studio sulla scelta della soglia di temperatura media giornaliera dell’aria che testimonia la presenza di fusione. Infatti tali condizioni possono verificarsi anche con temperature medie giornaliere inferiori a 273.15 K, in quanto è il bilancio energetico che governa i processi di fusione. Successivamente sono stati testati diversi modelli di T-index che includono anche la componente radiativa (e non solo la temperatura dell’aria). In particolare è stato introdotto un nuovo approccio che considera anche la radiazione infrarossa netta. Inoltre sono stati applicati alcuni metodi per distribuire gli input meteorologici a questi modelli di T-index. In questo modo si è cercata una maggiore e più ampia applicazione di questi approcci anche su quei ghiacciai che non dispongono di stazioni meteorologiche o in particolare di un radiometro netto, necessario per le misure dirette della radiazione infrarossa. Inoltre sono stati considerati i parametri che possono influenzare la variabilità dell’albedo superficiale: il detrito fine e sparso e l’acqua meteorica. In particolare si è proposto un metodo per investigare le caratteristiche del detrito fino e sparso che ricopre la superficie della lingua d’ablazione e le sue relazioni con l’albedo del ghiaccio. Infatti nonostante l’abbondante letteratura riguardante la deposizione delle polveri e del black carbon nelle zone di accumulo dei ghiacciai, sono disponibili pochi studi che descrivono questi fenomeni sulla superficie d’ablazione. Quindi è stato sviluppato un protocollo per i) campionare il detrito fine e sparso supraglaciale; ii) quantificare la sua copertura superficiale; iii) descrivere la sua composizione e le sue proprietà sedimentologiche; iv) misurare l’albedo; e v) identificare le relazioni tra l’albedo e la copertura detritica fine. Si è passati poi ad analizzare la distribuzione dei flussi turbolenti. Lo scopo principale è stato quello di distribuire la pressione di vapore e di definire i coefficienti di scambio turbolento sia catabatico che di back-ground. Infine sono state investigate le condizioni di fusione e il tasso di ablazione anche nelle porzioni del ghiacciaio coperte da detrito (ovvero le morene mediane nel caso del Ghiacciaio dei Forni). A questo scopo è stato applicato un modello semplice basato sul fatto che il flusso di calore conduttivo dipende dal gradiente di temperatura fra la superficie e il ghiaccio.