11 research outputs found

    Monitoring permafrost environments with Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors

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    Permafrost occupies approximately 24% of the exposed land area in the Northern Hemisphere. It is an important element of the cryosphere and has strong impacts on hydrology, biological processes, land surface energy budget, and infrastructure. For several decades, surface air temperatures in the high northern latitudes have warmed at approximately twice the global rate. Permafrost temperatures have increased in most regions since the early 1980s, the averaged warming north of 60°N has been 1-2°C. In-situ measurements are essential to understanding physical processes in permafrost terrain, but they have several limitations, ranging from difficulties in drilling to the representativeness of limited single point measurements. Remote sensing is urgently needed to supplement ground-based measurements and extend the point observations to a broader spatial domain. This thesis concentrates on the sub-arctic permafrost environment monitoring with SAR datasets. The study site is selected in a typical discontinuous permafrost region in the eastern Canadian sub-Arctic. Inuit communities in Nunavik and Nunatsiavut in the Canadian eastern sub-arctic are amongst the groups most affected by the impacts of climate change and permafrost degradation. Synthetic Aperture Radar (SAR) datasets have advantages for permafrost monitoring in the Arctic and sub-arctic regions because of its high resolution and independence of cloud cover and solar illumination. To date, permafrost environment monitoring methods and strategies with SAR datasets are still under development. The variability of active layer thickness is a direct indication of permafrost thermal state changes. The Differential SAR Interferometry (D-InSAR) technique is applied in the study site to derive ground deformation, which is introduced by the thawing/freezing depth of active layer and underlying permafrost. The D-InSAR technique has been used for the mapping of ground surface deformation over large areas by interpreting the phase difference between two signals acquired at different times as ground motion information. It shows the ability to detect freeze/thaw-related ground motion over permafrost regions. However, to date, accuracy and value assessments of D-InSAR applications have focused mostly on the continuous permafrost region where the vegetation is less developed and causes fewer complicating factors for the D-InSAR application, less attention is laid on the discontinuous permafrost terrain. In this thesis, the influencing factors and application conditions for D-InSAR in the discontinuous permafrost environment are evaluated by using X- band and L-band data. Then, benefit from by the high-temporal resolution of C-band Sentinel-1 time series, the seasonal displacement is derived from small baseline subsets (SBAS)-InSAR. Landforms are indicative of permafrost presence, with their changes inferring modifications to permafrost conditions. A permafrost landscape mapping method was developed which uses multi-temporal TerraSAR-X backscatter intensity and interferometric coherence information. The land cover map is generated through the combined use of object-based image analysis (OBIA) and classification and regression tree analysis (CART). An overall accuracy of 98% is achieved when classifying rock and water bodies, and an accuracy of 79% is achieved when discriminating between different vegetation types with one year of single-polarized acquisitions. This classification strategy can be transferred to other time-series SAR datasets, e.g., Sentinel-1, and other heterogeneous environments. One predominant change in the landscape tied to the thaw of permafrost is the dynamics of thermokarst lakes. Dynamics of thermokarst lakes are developed through their lateral extent and vertical depth changes. Due to different water depth, ice cover over shallow thermokarst ponds/lakes can freeze completely to the lake bed in winter, resulting in grounded ice; while ice cover over deep thermokarst ponds/lakes cannot, which have liquid water persisting under the ice cover all winter, resulting in floating ice. Winter ice cover regimes are related to water depths and ice thickness. In the lakes having floating ice, the liquid water induces additional heat in the remaining permafrost underneath and surroundings, which contributes to further intensified permafrost thawing. SAR datasets are utilized to detect winter ice cover regimes based on the character that liquid water has a remarkably high dielectric constant, whereas pure ice has a low value. Patterns in the spatial distribution of ice-cover regimes of thermokarst ponds in a typical discontinuous permafrost region are first revealed. Then, the correlations of these ice-cover regimes with the permafrost degradation states and thermokarst pond development in two historical phases (Sheldrake catchment in the year 1957 and 2009, Tasiapik Valley 1994 and 2010) were explored. The results indicate that the ice-cover regimes of thermokarst ponds are affected by soil texture, permafrost degradation stage and permafrost depth. Permafrost degradation is difficult to directly assess from the coverage area of floating-ice ponds and the percentage of all thermokarst ponds consisting of such floating-ice ponds in a single year. Continuous monitoring of ice-cover regimes and surface areas is recommended to elucidate the hydrological trajectory of the thermokarst process. Several operational monitoring methods have been developed in this thesis work. In the meanwhile, the spatial distribution of seasonal ground thaw subsidence, permafrost landscape, thermokarst ponds and their winter ice cover regimes are first revealed in the study area. The outcomes help understand the state and dynamics of permafrost environment.Der Permafrostboden bedeckt etwa 24% der exponierten LandflĂ€che in der nördlichen HemisphĂ€re. Es ist ein wichtiges Element der KryosphĂ€re und hat starke Auswirkungen auf die Hydrologie, die biologischen Prozesse, das Energie-Budget der LandoberflĂ€che und die Infrastruktur. Seit mehreren Jahrzehnten erhöhen sich die OberflĂ€chenlufttemperaturen in den nördlichen hohen Breitengraden etwa doppelt so stark wie die globale Rate. Die Temperaturen der Permafrostböden sind in den meisten Regionen seit den frĂŒhen 1980er Jahren gestiegen. Die durchschnittliche ErwĂ€rmung nördlich von 60° N betrĂ€gt 1-2°C. In-situ-Messungen sind essentiell fĂŒr das VerstĂ€ndnis der physischen Prozesse im PermafrostgelĂ€nde. Es gibt jedoch mehrere EinschrĂ€nkungen, die von Schwierigkeiten beim Bohren bis hin zur ReprĂ€sentativitĂ€t begrenzter Einzelpunktmessungen reichen. Fernerkundung ist dringend benötigt, um bodenbasierte Messungen zu ergĂ€nzen und punktuelle Beobachtungen auf einen breiteren rĂ€umlichen Bereich auszudehnen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Umweltbeobachtung der subarktischen Permafrostböden mit SAR-DatensĂ€tzen. Das Untersuchungsgebiet wurde in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostzone in der kanadischen östlichen Sub-Arktis ausgewĂ€hlt. Die Inuit-Gemeinschaften in den Regionen Nunavik und Nunatsiavut in der kanadischen östlichen Sub-Arktis gehören zu den Gruppen, die am stĂ€rksten von den Auswirkungen des Klimawandels und Permafrostdegradation betroffen sind. Synthetische Apertur Radar (SAR) DatensĂ€tze haben Vorteile fĂŒr das Permafrostmonitoring in den arktischen und subarktischen Regionen aufgrund der hohen Auflösung und der UnabhĂ€ngigkeit von Wolkendeckung und Sonnenstrahlung. Bis heute sind die Methoden und Strategien mit SAR-DatensĂ€tzen fĂŒr Umweltbeobachtung der Permafrostböden noch in der Entwicklung. Die VariabilitĂ€t der Auftautiefe der aktiven Schicht ist eine direkte Indikation der VerĂ€nderung des thermischen Zustands der Permafrostböden. Die Differential-SAR-Interferometrie(D-Insar)-Technik wird im Untersuchungsgebiet zur Ableitung der Bodendeformation, die durch Auftau- / und Gefriertiefe der aktiven Schicht und des unterliegenden Permafrostbodens eingefĂŒhrt wird, eingesetzt. Die D-InSAR-Technik wurde fĂŒr Kartierung der LandoberflĂ€chendeformation ĂŒber große FlĂ€chen verwendet, indem der Phasenunterschied zwischen zwei zu verschiedenen Zeitpunkten als Bodenbewegungsinformation erfassten Signalen interpretiert wurde. Es zeigt die FĂ€higkeit, tau- und gefrierprozessbedingte Bodenbewegungen ĂŒber Permafrostregionen zu detektieren. Jedoch fokussiert sich die Genauigkeit und WertschĂ€tzung der D-InSAR-Anwendung bis heute hauptsĂ€chlich auf kontinuierliche Permafrostregion, wo die Vegetation wenig entwickelt ist und weniger komplizierte Faktoren fĂŒr D-InSAR-Anwendung verursacht. Das diskontinuierliche PermafrostgelĂ€nde wurde nur weniger berĂŒcksichtigt. In dieser Dissertation wurden die Einflussfaktoren und Anwendungsbedingungen fĂŒr D-InSAR im diskontinuierlichen Permafrostgebiet mittels X-Band und L-Band Daten ausgewertet. Dann wurde die saisonale Verschiebung dank der hohen Auflösung der C-Band Sentinel-1 Zeitreihe von „Small Baseline Subsets (SBAS)-InSAR“ abgeleitet. Landformen weisen auf die PrĂ€senz des Permafrosts hin, wobei deren VerĂ€nderungen auf die Modifikation der Permafrostbedingungen schließen. Eine Kartierungsmethode der Permafrostlandschaft wurde entwickelt, dabei wurde Multi-temporal TerraSAR-X RĂŒckstreuungsintensitĂ€t und interferometrische KohĂ€renzinformationen verwendet. Die Landbedeckungskarte wurde durch kombinierte Anwendung objektbasierter Bildanalyse (OBIA) und Klassifikations- und Regressionsbaum Analyse (CART) generiert. Eine Gesamtgenauigkeit in Höhe von 98% wurde bei Klassifikation der Gesteine und Wasserkörper erreicht. Bei Unterscheidung zwischen verschiedenen Vegetationstypen mit einem Jahr einzelpolarisierte Akquisitionen wurde eine Genauigkeit von 79% erreicht. Diese Klassifikationsstrategie kann auf andere Zeitreihen der SAR-DatensĂ€tzen, z.B. Sentinel-1, und auch anderen heterogenen Umwelten ĂŒbertragen werden. Eine vorherrschende VerĂ€nderung in der Landschaft, die mit dem Auftauen des Permafrosts verbunden ist, ist die Dynamik der Thermokarstseen. Die Dynamik der Thermokarstseen ist durch VerĂ€nderungen der seitlichen Ausdehnung und der vertikalen Tiefe entwickelt. Aufgrund der unterschiedlichen Wassertiefen kann die Eisdecke ĂŒber den flachen Thermokarstteichen/-seen im Winter bis auf den Wasserboden vollstĂ€ndig gefroren sein, was zum geerdeten Eis fĂŒhrt, wĂ€hrend die Eisdecke ĂŒber den tiefen Thermokarstteichen/-seen es nicht kann. In den tiefen Thermokarstteichen/-seen bleibt den ganzen Winter flĂŒssiges Wasser unter der Eisdecke bestehen, was zum Treibeis fĂŒhrt. Das Wintereisdeckenregime bezieht sich auf die Wassertiefe und die Eisdicke. In den Seen mit Treibeis leitet das flĂŒssige Wasser zusĂ€tzliche WĂ€rme in den restlichen Permafrost darunter oder in der Umgebung, was zur weiteren VerstĂ€rkung des Permafrostauftauen beitrĂ€gt. Basiert auf den Charakter, dass das flĂŒssige Wasser eine bemerkenswert hohe DielektrizitĂ€tskonstante besitzt, wĂ€hrend reines Eis einen niedrigen Wert hat, wurden die SAR DatensĂ€tzen zur Erkennung des Wintereisdeckenregimes verwendet. ZunĂ€chst wurden Schemen in der rĂ€umlichen Verteilung der Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostregion abgeleitet. Dann wurden die ZusammenhĂ€nge dieser Eisdeckenregimes mit dem Degradationszustand des Permafrosts und der Entwicklung der Thermokarstteiche in zwei historischen Phasen (Sheldrake Einzugsgebiet in 1957 und 2009, Tasiapik Tal in 1994 und 2010) erforscht. Die Ergebnisse deuten darauf, dass die Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche von der Bodenart, dem Degradationszustand des Permafrosts und der Permafrosttiefe beeinflusst werden. Es ist schwer, die Permafrostdegradation in einem einzelnen Jahr direkt durch den Abdeckungsbereich der Treibeis-Teiche und die Prozentzahl aller aus solchen Treibeis-Teichen bestehenden Thermokarstteiche abzuschĂ€tzen. Ein kontinuierliches Monitoring der Eisdeckenregimes und -oberflĂ€chen ist empfehlenswert, um den hydrologischen Verlauf des Thermokarstprozesses zu erlĂ€utern. In dieser Dissertation wurden mehrere operativen Monitoringsmethoden entwickelt. In der Zwischenzeit wurden die rĂ€umliche Verteilung der saisonalen Bodentauabsenkung, die Permafrostlandschaft, die Thermokarstteiche und ihre Wintereisdeckenregimes erstmals in diesem Untersuchungsgebiet aufgedeckt. Die Ergebnisse tragen dazu bei, den Zustand und die Dynamik der Permafrostumwelt zu verstehen

    Monitoring permafrost environments with Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors

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    Permafrost occupies approximately 24% of the exposed land area in the Northern Hemisphere. It is an important element of the cryosphere and has strong impacts on hydrology, biological processes, land surface energy budget, and infrastructure. For several decades, surface air temperatures in the high northern latitudes have warmed at approximately twice the global rate. Permafrost temperatures have increased in most regions since the early 1980s, the averaged warming north of 60°N has been 1-2°C. In-situ measurements are essential to understanding physical processes in permafrost terrain, but they have several limitations, ranging from difficulties in drilling to the representativeness of limited single point measurements. Remote sensing is urgently needed to supplement ground-based measurements and extend the point observations to a broader spatial domain. This thesis concentrates on the sub-arctic permafrost environment monitoring with SAR datasets. The study site is selected in a typical discontinuous permafrost region in the eastern Canadian sub-Arctic. Inuit communities in Nunavik and Nunatsiavut in the Canadian eastern sub-arctic are amongst the groups most affected by the impacts of climate change and permafrost degradation. Synthetic Aperture Radar (SAR) datasets have advantages for permafrost monitoring in the Arctic and sub-arctic regions because of its high resolution and independence of cloud cover and solar illumination. To date, permafrost environment monitoring methods and strategies with SAR datasets are still under development. The variability of active layer thickness is a direct indication of permafrost thermal state changes. The Differential SAR Interferometry (D-InSAR) technique is applied in the study site to derive ground deformation, which is introduced by the thawing/freezing depth of active layer and underlying permafrost. The D-InSAR technique has been used for the mapping of ground surface deformation over large areas by interpreting the phase difference between two signals acquired at different times as ground motion information. It shows the ability to detect freeze/thaw-related ground motion over permafrost regions. However, to date, accuracy and value assessments of D-InSAR applications have focused mostly on the continuous permafrost region where the vegetation is less developed and causes fewer complicating factors for the D-InSAR application, less attention is laid on the discontinuous permafrost terrain. In this thesis, the influencing factors and application conditions for D-InSAR in the discontinuous permafrost environment are evaluated by using X- band and L-band data. Then, benefit from by the high-temporal resolution of C-band Sentinel-1 time series, the seasonal displacement is derived from small baseline subsets (SBAS)-InSAR. Landforms are indicative of permafrost presence, with their changes inferring modifications to permafrost conditions. A permafrost landscape mapping method was developed which uses multi-temporal TerraSAR-X backscatter intensity and interferometric coherence information. The land cover map is generated through the combined use of object-based image analysis (OBIA) and classification and regression tree analysis (CART). An overall accuracy of 98% is achieved when classifying rock and water bodies, and an accuracy of 79% is achieved when discriminating between different vegetation types with one year of single-polarized acquisitions. This classification strategy can be transferred to other time-series SAR datasets, e.g., Sentinel-1, and other heterogeneous environments. One predominant change in the landscape tied to the thaw of permafrost is the dynamics of thermokarst lakes. Dynamics of thermokarst lakes are developed through their lateral extent and vertical depth changes. Due to different water depth, ice cover over shallow thermokarst ponds/lakes can freeze completely to the lake bed in winter, resulting in grounded ice; while ice cover over deep thermokarst ponds/lakes cannot, which have liquid water persisting under the ice cover all winter, resulting in floating ice. Winter ice cover regimes are related to water depths and ice thickness. In the lakes having floating ice, the liquid water induces additional heat in the remaining permafrost underneath and surroundings, which contributes to further intensified permafrost thawing. SAR datasets are utilized to detect winter ice cover regimes based on the character that liquid water has a remarkably high dielectric constant, whereas pure ice has a low value. Patterns in the spatial distribution of ice-cover regimes of thermokarst ponds in a typical discontinuous permafrost region are first revealed. Then, the correlations of these ice-cover regimes with the permafrost degradation states and thermokarst pond development in two historical phases (Sheldrake catchment in the year 1957 and 2009, Tasiapik Valley 1994 and 2010) were explored. The results indicate that the ice-cover regimes of thermokarst ponds are affected by soil texture, permafrost degradation stage and permafrost depth. Permafrost degradation is difficult to directly assess from the coverage area of floating-ice ponds and the percentage of all thermokarst ponds consisting of such floating-ice ponds in a single year. Continuous monitoring of ice-cover regimes and surface areas is recommended to elucidate the hydrological trajectory of the thermokarst process. Several operational monitoring methods have been developed in this thesis work. In the meanwhile, the spatial distribution of seasonal ground thaw subsidence, permafrost landscape, thermokarst ponds and their winter ice cover regimes are first revealed in the study area. The outcomes help understand the state and dynamics of permafrost environment.Der Permafrostboden bedeckt etwa 24% der exponierten LandflĂ€che in der nördlichen HemisphĂ€re. Es ist ein wichtiges Element der KryosphĂ€re und hat starke Auswirkungen auf die Hydrologie, die biologischen Prozesse, das Energie-Budget der LandoberflĂ€che und die Infrastruktur. Seit mehreren Jahrzehnten erhöhen sich die OberflĂ€chenlufttemperaturen in den nördlichen hohen Breitengraden etwa doppelt so stark wie die globale Rate. Die Temperaturen der Permafrostböden sind in den meisten Regionen seit den frĂŒhen 1980er Jahren gestiegen. Die durchschnittliche ErwĂ€rmung nördlich von 60° N betrĂ€gt 1-2°C. In-situ-Messungen sind essentiell fĂŒr das VerstĂ€ndnis der physischen Prozesse im PermafrostgelĂ€nde. Es gibt jedoch mehrere EinschrĂ€nkungen, die von Schwierigkeiten beim Bohren bis hin zur ReprĂ€sentativitĂ€t begrenzter Einzelpunktmessungen reichen. Fernerkundung ist dringend benötigt, um bodenbasierte Messungen zu ergĂ€nzen und punktuelle Beobachtungen auf einen breiteren rĂ€umlichen Bereich auszudehnen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Umweltbeobachtung der subarktischen Permafrostböden mit SAR-DatensĂ€tzen. Das Untersuchungsgebiet wurde in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostzone in der kanadischen östlichen Sub-Arktis ausgewĂ€hlt. Die Inuit-Gemeinschaften in den Regionen Nunavik und Nunatsiavut in der kanadischen östlichen Sub-Arktis gehören zu den Gruppen, die am stĂ€rksten von den Auswirkungen des Klimawandels und Permafrostdegradation betroffen sind. Synthetische Apertur Radar (SAR) DatensĂ€tze haben Vorteile fĂŒr das Permafrostmonitoring in den arktischen und subarktischen Regionen aufgrund der hohen Auflösung und der UnabhĂ€ngigkeit von Wolkendeckung und Sonnenstrahlung. Bis heute sind die Methoden und Strategien mit SAR-DatensĂ€tzen fĂŒr Umweltbeobachtung der Permafrostböden noch in der Entwicklung. Die VariabilitĂ€t der Auftautiefe der aktiven Schicht ist eine direkte Indikation der VerĂ€nderung des thermischen Zustands der Permafrostböden. Die Differential-SAR-Interferometrie(D-Insar)-Technik wird im Untersuchungsgebiet zur Ableitung der Bodendeformation, die durch Auftau- / und Gefriertiefe der aktiven Schicht und des unterliegenden Permafrostbodens eingefĂŒhrt wird, eingesetzt. Die D-InSAR-Technik wurde fĂŒr Kartierung der LandoberflĂ€chendeformation ĂŒber große FlĂ€chen verwendet, indem der Phasenunterschied zwischen zwei zu verschiedenen Zeitpunkten als Bodenbewegungsinformation erfassten Signalen interpretiert wurde. Es zeigt die FĂ€higkeit, tau- und gefrierprozessbedingte Bodenbewegungen ĂŒber Permafrostregionen zu detektieren. Jedoch fokussiert sich die Genauigkeit und WertschĂ€tzung der D-InSAR-Anwendung bis heute hauptsĂ€chlich auf kontinuierliche Permafrostregion, wo die Vegetation wenig entwickelt ist und weniger komplizierte Faktoren fĂŒr D-InSAR-Anwendung verursacht. Das diskontinuierliche PermafrostgelĂ€nde wurde nur weniger berĂŒcksichtigt. In dieser Dissertation wurden die Einflussfaktoren und Anwendungsbedingungen fĂŒr D-InSAR im diskontinuierlichen Permafrostgebiet mittels X-Band und L-Band Daten ausgewertet. Dann wurde die saisonale Verschiebung dank der hohen Auflösung der C-Band Sentinel-1 Zeitreihe von „Small Baseline Subsets (SBAS)-InSAR“ abgeleitet. Landformen weisen auf die PrĂ€senz des Permafrosts hin, wobei deren VerĂ€nderungen auf die Modifikation der Permafrostbedingungen schließen. Eine Kartierungsmethode der Permafrostlandschaft wurde entwickelt, dabei wurde Multi-temporal TerraSAR-X RĂŒckstreuungsintensitĂ€t und interferometrische KohĂ€renzinformationen verwendet. Die Landbedeckungskarte wurde durch kombinierte Anwendung objektbasierter Bildanalyse (OBIA) und Klassifikations- und Regressionsbaum Analyse (CART) generiert. Eine Gesamtgenauigkeit in Höhe von 98% wurde bei Klassifikation der Gesteine und Wasserkörper erreicht. Bei Unterscheidung zwischen verschiedenen Vegetationstypen mit einem Jahr einzelpolarisierte Akquisitionen wurde eine Genauigkeit von 79% erreicht. Diese Klassifikationsstrategie kann auf andere Zeitreihen der SAR-DatensĂ€tzen, z.B. Sentinel-1, und auch anderen heterogenen Umwelten ĂŒbertragen werden. Eine vorherrschende VerĂ€nderung in der Landschaft, die mit dem Auftauen des Permafrosts verbunden ist, ist die Dynamik der Thermokarstseen. Die Dynamik der Thermokarstseen ist durch VerĂ€nderungen der seitlichen Ausdehnung und der vertikalen Tiefe entwickelt. Aufgrund der unterschiedlichen Wassertiefen kann die Eisdecke ĂŒber den flachen Thermokarstteichen/-seen im Winter bis auf den Wasserboden vollstĂ€ndig gefroren sein, was zum geerdeten Eis fĂŒhrt, wĂ€hrend die Eisdecke ĂŒber den tiefen Thermokarstteichen/-seen es nicht kann. In den tiefen Thermokarstteichen/-seen bleibt den ganzen Winter flĂŒssiges Wasser unter der Eisdecke bestehen, was zum Treibeis fĂŒhrt. Das Wintereisdeckenregime bezieht sich auf die Wassertiefe und die Eisdicke. In den Seen mit Treibeis leitet das flĂŒssige Wasser zusĂ€tzliche WĂ€rme in den restlichen Permafrost darunter oder in der Umgebung, was zur weiteren VerstĂ€rkung des Permafrostauftauen beitrĂ€gt. Basiert auf den Charakter, dass das flĂŒssige Wasser eine bemerkenswert hohe DielektrizitĂ€tskonstante besitzt, wĂ€hrend reines Eis einen niedrigen Wert hat, wurden die SAR DatensĂ€tzen zur Erkennung des Wintereisdeckenregimes verwendet. ZunĂ€chst wurden Schemen in der rĂ€umlichen Verteilung der Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche in einer typischen diskontinuierlichen Permafrostregion abgeleitet. Dann wurden die ZusammenhĂ€nge dieser Eisdeckenregimes mit dem Degradationszustand des Permafrosts und der Entwicklung der Thermokarstteiche in zwei historischen Phasen (Sheldrake Einzugsgebiet in 1957 und 2009, Tasiapik Tal in 1994 und 2010) erforscht. Die Ergebnisse deuten darauf, dass die Eisdeckenregimes der Thermokarstteiche von der Bodenart, dem Degradationszustand des Permafrosts und der Permafrosttiefe beeinflusst werden. Es ist schwer, die Permafrostdegradation in einem einzelnen Jahr direkt durch den Abdeckungsbereich der Treibeis-Teiche und die Prozentzahl aller aus solchen Treibeis-Teichen bestehenden Thermokarstteiche abzuschĂ€tzen. Ein kontinuierliches Monitoring der Eisdeckenregimes und -oberflĂ€chen ist empfehlenswert, um den hydrologischen Verlauf des Thermokarstprozesses zu erlĂ€utern. In dieser Dissertation wurden mehrere operativen Monitoringsmethoden entwickelt. In der Zwischenzeit wurden die rĂ€umliche Verteilung der saisonalen Bodentauabsenkung, die Permafrostlandschaft, die Thermokarstteiche und ihre Wintereisdeckenregimes erstmals in diesem Untersuchungsgebiet aufgedeckt. Die Ergebnisse tragen dazu bei, den Zustand und die Dynamik der Permafrostumwelt zu verstehen

    Book of Abstracts, ACOP2017 : 2nd Asian Conference on Permafrost

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    Spatial variability of aircraft-measured surface energy fluxes in permafrost landscapes

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    Arctic ecosystems are undergoing a very rapid change due to global warming and their response to climate change has important implications for the global energy budget. Therefore, it is crucial to understand how energy fluxes in the Arctic will respond to any changes in climate related parameters. However, attribution of these responses is challenging because measured fluxes are the sum of multiple processes that respond differently to environmental factors. Here, we present the potential of environmental response functions for quantitatively linking energy flux observations over high latitude permafrost wetlands to environmental drivers in the flux footprints. We used the research aircraft POLAR 5 equipped with a turbulence probe and fast temperature and humidity sensors to measure turbulent energy fluxes along flight tracks across the Alaskan North Slope with the aim to extrapolate the airborne eddy covariance flux measurements from their specific footprint to the entire North Slope. After thorough data pre-processing, wavelet transforms are used to improve spatial discretization of flux observations in order to relate them to biophysically relevant surface properties in the flux footprint. Boosted regression trees are then employed to extract and quantify the functional relationships between the energy fluxes and environmental drivers. Finally, the resulting environmental response functions are used to extrapolate the sensible heat and water vapor exchange over spatio-temporally explicit grids of the Alaskan North Slope. Additionally, simulations from the Weather Research and Forecasting (WRF) model were used to explore the dynamics of the atmospheric boundary layer and to examine results of our extrapolation

    Rise and fall of an ice-cored moraine A case study from Semskfjellet, Saltfjellet, northern Norway - investigating the role of hydrological processes in the decay of an ice-cored moraine

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    Nedbrytning av iskjernemorener som demmer bresjÞer utgjÞr en mulig naturfare. Det er derfor viktig Ä studere og forstÄ hvordan dynamikken i iskjernemorener pÄvirkes av endringer i klima, for Ä kunne forebygge og minimere risiko. Denne studien har undersÞkt hvilken rolle hydrologiske prosesser spiller i nedbrytningen av en iskjernemorene ved Semskfjellet, Saltfjellet i Nordland. Feltarbeidet fant sted sommeren 2021. Hydrologiske undersÞkelser av innsjÞen og overflateavrenning langs marginen til morenen ble brukt som indikatorer for miljÞet som dreneringen gÄr gjennom i morenen, for Ä fÄ innsikt i den interne strukturen. Fjernanalyse ble benyttet for Ä studere endringer i hÞydeforskjeller over tid, for Ä si noe om hvor raskt utsmeltingen foregÄr. Datering av morenerygger og kvartÊrgeologisk kartlegging bidro videre til Ä bedre forstÄelsen av hvordan iskjernemorener dannes og utvikler seg. Lichenometridateringene hentydet til at iskjernemorenen stammer fra Lille Istid og at bresjÞen ble dannet pÄ begynnelsen av 1900 tallet. Studien viste at iskjernemorenen er i en overgangsfase, med tegn pÄ bÄde horisontal og vertikal nedsmelting. Til hvilken grad morenen fungerer som en barriere for bresjÞen synes Ä pÄvirkes av den interne strukturen. En terskel som muligens er knyttet til tele i bakken og/eller en iskjerne i morenen har skapt et mÞnster av en syklisk og sesongbasert drenering av bresjÞen. Dreneringsgraden pÄvirkes videre av endringer i lufttemperatur, breablasjon og vanntemperaturen i bresjÞen. BresjÞen og dreneringen av vann gjennom morenen spiller en viktig rolle for degraderingen av iskjernemorenen ettersom det bidrar til Ä tine isen inne i morenen, samt setter i gang massebevegelser relatert til vertikal og horisontal nedsmelting. Den sentrale delen av morenen synes Ä ha vÊrt mest pÄvirket av undergrunnsdreneringen, og hÞyden pÄ overflaten synes Ä ha endret seg mest her, til sammenligning med den nordlige og sÞrlige delen av morenen. En konseptuell modell for livssyklusen til denne iskjernemorenen i sammenheng med bre-permafrost interaksjoner og hydrogeomorfologiske prosesser er foreslÄtt. Hastigheten pÄ nedbrytningen av morenen ventes Ä fortsette Ä vÊre heterogen for de ulike delen av morenen i fremtiden. Tidshorisonten for en fullstendig nedsmelting kan vÊre lang og er muligens knyttet til breen og bresjÞens eksistens. Videre forskning som ser nÊrmere pÄ den interne strukturen til iskjernemorener og deres tilknytning til andre aktive prosesser anbefales for Ä skape en bedre forstÄelse av hvordan naturfarer tilknyttet iskjernemorener pÄvirkes av klimaendringer.Masteroppgave i geografiGEO350MASV-PHYGMPGEOGRMASV-GEOGMASV-MEH

    Mechanical weathering in cold regions with special emphasis on the Antarctic environment and the freeze-thaw mechanism in particular.

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    Thesis (Ph.D.)-University of Natal, Pietermaritzburg, 2003.Consideration of almost any geomorphology textbook will show the fundamental argument that in cold environments mechanical weathering processes, usually freeze-thaw, will predominate and that chemical weathering will be temperature-limited, often to the point of non occurrence. These basic concepts have underpinned geomorphology for over a century and are the basis for the development of many landforms in periglacial regions. With the introduction of data loggers so field data became more readily available but, sadly, those data were not of a quality to other than justify the existent assumptions and thus did little more than reinforce, rather than test, the nature of our understanding of cold region weathering. Factors such as rock properties were dealt with to a limited extent but rock moisture was all but ignored, despite its centrality to most weathering processes. Here the results of field studies into weathering in cold regions, coupled with laboratory experiments based on the field data, are presented. An attempt is made to overcome the shortcomings of earlier studies. Temperature, moisture and rock properties have all been considered. Processes were not assumed but rather the data were used to evaluate what processes were operative. The results, both in terms of weathering process understanding per se and of its application to landform development, significantly challenge our longheld perceptions. Information is presented that shows that it is not temperature, but rather water, that is the limiting factor in cold region weathering. Indeed, in the absence of water, many cold environments have attributes akin to a hot desert. The relevance of this is that weathering processes other than freeze-thaw may play a significant role and that in the presence of water chemical weathering can play a far greater role than hitherto thought. Overall, the whole concept of zonality with respect to weathering is questioned. Finally, the attributes of weathering are put within the context of landform development and questions raised regarding the origin of some forms and of their palaeoenvironmental significance. Attributes of periglacial, glacial and zoogeomorphic processes and landforms in present and past cold environments are also presented
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