Abstract We measure the grounding line retreat of glaciers draining the Amundsen Sea sector of West Antarctica using Earth Remote Sensing (ERS‐1/2) satellite radar interferometry from 1992 to 2011. Pine Island Glacier retreated 31 km at its center, with most retreat in 2005–2009 when the glacier ungrounded from its ice plain. Thwaites Glacier retreated 14 km along its fast flow core and 1 to 9 km along the sides. Haynes Glacier retreated 10 km along its flanks. Smith/Kohler glaciers retreated the most, 35 km along its ice plain, and its ice shelf pinning points are vanishing. These rapid retreats proceed along regions of retrograde bed elevation mapped at a high spatial resolution using a mass conservation technique that removes residual ambiguities from prior mappings. Upstream of the 2011 grounding line positions, we find no major bed obstacle that would prevent the glaciers from further retreat and draw down the entire basin.

Greenland's bed topography is a primary control on ice flow, grounding line migration, calving dynamics, and subglacial drainage. Moreover, fjord bathymetry regulates the penetration of warm Atlantic water (AW) that rapidly melts and undercuts Greenland's marine-terminating glaciers. Here we present a new compilation of Greenland bed topography that assimilates seafloor bathymetry and ice thickness data through a mass conservation approach. A new 150 m horizontal resolution bed topography/bathymetric map of Greenland is constructed with seamless transitions at the ice/ocean interface, yielding major improvements over previous data sets, particularly in the marine-terminating sectors of northwest and southeast Greenland. Our map reveals that the total sea level potential of the Greenland ice sheet is 7.42 ± 0.05 m, which is 7 cm greater than previous estimates. Furthermore, it explains recent calving front response of numerous outlet glaciers and reveals new pathways by which AW can access glaciers with marine-based basins, thereby highlighting sectors of Greenland that are most vulnerable to future oceanic forcing.

The Antarctic ice sheet has been losing mass over past decades through the accelerated flow of its glaciers, conditioned by ocean temperature and bed topography. Glaciers retreating along retrograde slopes (that is, the bed elevation drops in the inland direction) are potentially unstable, while subglacial ridges slow down the glacial retreat. Despite major advances in the mapping of subglacial bed topography, significant sectors of Antarctica remain poorly resolved and critical spatial details are missing. Here we present a novel, high-resolution and physically based description of Antarctic bed topography using mass conservation. Our results reveal previously unknown basal features with major implications for glacier response to climate change. For example, glaciers flowing across the Transantarctic Mountains are protected by broad, stabilizing ridges. Conversely, in the marine basin of Wilkes Land, East Antarctica, we find retrograde slopes along Ninnis and Denman glaciers, with stabilizing slopes beneath Moscow University, Totten and Lambert glacier system, despite corrections in bed elevation of up to 1 km for the latter. This transformative description of bed topography redefines the high- and lower-risk sectors for rapid sea level rise from Antarctica; it will also significantly impact model projections of sea level rise from Antarctica in the coming centuries. A high-resolution update of Antarctic bed topography using mass conservation reveals broad stabilizing ridges for glaciers flowing across the Transantarctic Mountains, and stabilizing slopes beneath Moscow University, Totten and Lambert glacier system.

Ice flow models used to project the mass balance of ice sheets in Greenland and Antarctica usually rely on the Shallow Ice Approximation (SIA) and the Shallow‐Shelf Approximation (SSA), sometimes combined into so‐called “hybrid” models. Such models, while computationally efficient, are based on a simplified set of physical assumptions about the mechanical regime of the ice flow, which does not uniformly apply everywhere on the ice sheet/ice shelf system, especially near grounding lines, where rapid changes are taking place at present. Here, we present a new thermomechanical finite element model of ice flow named ISSM (Ice Sheet System Model) that includes higher‐order stresses, high spatial resolution capability and data assimilation techniques to better capture ice dynamics and produce realistic simulations of ice sheet flow at the continental scale. ISSM includes several approximations of the momentum balance equations, ranging from the two‐dimensional SSA to the three‐dimensional full‐Stokes formulation. It also relies on a massively parallelized architecture and state‐of‐the‐art scalable tools. ISSM employs data assimilation techniques, at all levels of approximation of the momentum balance equations, to infer basal drag at the ice‐bed interface from satellite radar interferometry‐derived observations of ice motion. Following a validation of ISSM with standard benchmarks, we present a demonstration of its capability in the case of the Greenland Ice Sheet. We show ISSM is able to simulate the ice flow of an entire ice sheet realistically at a high spatial resolution, with higher‐order physics, thereby providing a pathway for improving projections of ice sheet evolution in a warming climate.

Basal drag is a fundamental control on ice stream dynamics that remains poorly understood or constrained by observations. Here, we apply control methods on ice surface velocities of Pine Island Glacier, West Antarctica to infer the spatial pattern of basal drag using a full‐Stokes (FS) model of ice flow and compare the results obtained with two commonly‐used simplified solutions: the MacAyeal shelfy stream model and the Blatter‐Pattyn model. Over most of the model domain, the three models yield similar patterns of basal drag, yet near the glacier grounding‐line, the simplified models yield high basal drag while FS yields almost no basal drag. The simplified models overestimate basal drag because they neglect bridging effects in an ice stream region of rapidly varying ice thickness. This result reinforces theoretical studies that a FS treatment of ice flow is essential near glacier grounding lines.

The land ice contribution to global mean sea level rise has not yet been predicted1 using ice sheet and glacier models for the latest set of socio-economic scenarios, nor using coordinated exploration of uncertainties arising from the various computer models involved. Two recent international projects generated a large suite of projections using multiple models2–8, but primarily used previous-generation scenarios9 and climate models10, and could not fully explore known uncertainties. Here we estimate probability distributions for these projections under the new scenarios11,12 using statistical emulation of the ice sheet and glacier models. We find that limiting global warming to 1.5 degrees Celsius would halve the land ice contribution to twenty-first-century sea level rise, relative to current emissions pledges. The median decreases from 25 to 13 centimetres sea level equivalent (SLE) by 2100, with glaciers responsible for half the sea level contribution. The projected Antarctic contribution does not show a clear response to the emissions scenario, owing to uncertainties in the competing processes of increasing ice loss and snowfall accumulation in a warming climate. However, under risk-averse (pessimistic) assumptions, Antarctic ice loss could be five times higher, increasing the median land ice contribution to 42 centimetres SLE under current policies and pledges, with the 95th percentile projection exceeding half a metre even under 1.5 degrees Celsius warming. This would severely limit the possibility of mitigating future coastal flooding. Given this large range (between 13 centimetres SLE using the main projections under 1.5 degrees Celsius warming and 42 centimetres SLE using risk-averse projections under current pledges), adaptation planning for twenty-first-century sea level rise must account for a factor-of-three uncertainty in the land ice contribution until climate policies and the Antarctic response are further constrained. Efficient statistical emulation of melting land ice under various climate scenarios to 2100 indicates a contribution from melting land ice to sea level increase of at least 13 centimetres sea level equivalent.

Abstract. Ice flow models of the Antarctic ice sheet are commonly used to simulate its future evolution in response to different climate scenarios and assess the mass loss that would contribute to future sea level rise. However, there is currently no consensus on estimates of the future mass balance of the ice sheet, primarily because of differences in the representation of physical processes, forcings employed and initial states of ice sheet models. This study presents results from ice flow model simulations from 13 international groups focusing on the evolution of the Antarctic ice sheet during the period 2015–2100 as part of the Ice Sheet Model Intercomparison for CMIP6 (ISMIP6). They are forced with outputs from a subset of models from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), representative of the spread in climate model results. Simulations of the Antarctic ice sheet contribution to sea level rise in response to increased warming during this period varies between −7.8 and 30.0 cm of sea level equivalent (SLE) under Representative Concentration Pathway (RCP) 8.5 scenario forcing. These numbers are relative to a control experiment with constant climate conditions and should therefore be added to the mass loss contribution under climate conditions similar to present-day conditions over the same period. The simulated evolution of the West Antarctic ice sheet varies widely among models, with an overall mass loss, up to 18.0 cm SLE, in response to changes in oceanic conditions. East Antarctica mass change varies between −6.1 and 8.3 cm SLE in the simulations, with a significant increase in surface mass balance outweighing the increased ice discharge under most RCP 8.5 scenario forcings. The inclusion of ice shelf collapse, here assumed to be caused by large amounts of liquid water ponding at the surface of ice shelves, yields an additional simulated mass loss of 28 mm compared to simulations without ice shelf collapse. The largest sources of uncertainty come from the climate forcing, the ocean-induced melt rates, the calibration of these melt rates based on oceanic conditions taken outside of ice shelf cavities and the ice sheet dynamic response to these oceanic changes. Results under RCP 2.6 scenario based on two CMIP5 climate models show an additional mass loss of 0 and 3 cm of SLE on average compared to simulations done under present-day conditions for the two CMIP5 forcings used and display limited mass gain in East Antarctica.

Reducing the uncertainty in the past, present and future contribution of ice sheets to sea-level change requires a coordinated effort between the climate and glaciology communities. The Ice Sheet Model Intercomparison Project for CMIP6 (ISMIP6) is the primary activity within the Coupled Model Intercomparison Project - phase 6 (CMIP6) focusing on the Greenland and Antarctic Ice Sheets. In this paper, we describe the framework for ISMIP6 and its relationship to other activities within CMIP6. The ISMIP6 experimental design relies on CMIP6 climate models and includes, for the first time within CMIP, coupled ice sheet - climate models as well as standalone ice sheet models. To facilitate analysis of the multi-model ensemble and to generate a set of standard climate inputs for standalone ice sheet models, ISMIP6 defines a protocol for all variables related to ice sheets. ISMIP6 will provide a basis for investigating the feedbacks, impacts, and sea-level changes associated with dynamic ice sheets and for quantifying the uncertainty in ice-sheet-sourced global sea-level change.

Abstract Ten ice-sheet models are used to study sensitivity of the Greenland and Antarctic ice sheets to prescribed changes of surface mass balance, sub-ice-shelf melting and basal sliding. Results exhibit a large range in projected contributions to sea-level change. In most cases, the ice volume above flotation lost is linearly dependent on the strength of the forcing. Combinations of forcings can be closely approximated by linearly summing the contributions from single forcing experiments, suggesting that nonlinear feedbacks are modest. Our models indicate that Greenland is more sensitive than Antarctica to likely atmospheric changes in temperature and precipitation, while Antarctica is more sensitive to increased ice-shelf basal melting. An experiment approximating the Intergovernmental Panel on Climate Change’s RCP8.5 scenario produces additional first-century contributions to sea level of 22.3 and 8.1 cm from Greenland and Antarctica, respectively, with a range among models of 62 and 14 cm, respectively. By 200 years, projections increase to 53.2 and 26.7 cm, respectively, with ranges of 79 and 43 cm. Linear interpolation of the sensitivity results closely approximates these projections, revealing the relative contributions of the individual forcings on the combined volume change and suggesting that total ice-sheet response to complicated forcings over 200 years can be linearized.

Abstract Predictions of marine ice-sheet behaviour require models able to simulate grounding-line migration. We present results of an intercomparison experiment for plan-view marine ice-sheet models. Verification is effected by comparison with approximate analytical solutions for flux across the grounding line using simplified geometrical configurations (no lateral variations, no buttressing effects from lateral drag). Perturbation experiments specifying spatial variation in basal sliding parameters permitted the evolution of curved grounding lines, generating buttressing effects. The experiments showed regions of compression and extensional flow across the grounding line, thereby invalidating the boundary layer theory. Steady-state grounding-line positions were found to be dependent on the level of physical model approximation. Resolving grounding lines requires inclusion of membrane stresses, a sufficiently small grid size (<500 m), or subgrid interpolation of the grounding line. The latter still requires nominal grid sizes of <5 km. For larger grid spacings, appropriate parameterizations for ice flux may be imposed at the grounding line, but the short-time transient behaviour is then incorrect and different from models that do not incorporate grounding-line parameterizations. The numerical error associated with predicting grounding-line motion can be reduced significantly below the errors associated with parameter ignorance and uncertainties in future scenarios.