New perspectives on climate, Earth surface processes and thermal–hydrological conditions in high–latitude systems

Climate, Earth surface processes and soil thermal hydrological conditions drive landscape development, ecosystem functioning and human activities in high latitude regions. These systems are at the focal point of concurrent global change studies as the ongoing shifts in climate regimes has already changed the dynamics of fragile and highly specialized environments across pan Arctic. This thesis aimed to 1) analyze and model extreme air temperatures, soil thermal and hydrological conditions, and the main Earth surface processes (ESP) (cryoturbation, solifluction, nivation and palsa mires) controlling the functioning of high latitude systems in current and future climate conditions; 2) identify the key environmental factors driving the spatial variation of the studied phenomena; and 3) develop methodology for producing novel high quality datasets. To accomplish these objectives, spatial analyses were conducted throughout geographical scales by utilizing multiple statistical modelling approaches, such as regression, machine learning techniques and ensemble forecasting. This thesis was based on unique datasets from the northern Fennoscandia; climate station records from Finland, Sweden and Norway, state of the art climate model simulations, fine scale field measurements collected in arctic alpine tundra and remotely sensed geospatial data. In paper I, accurate extreme air temperature maps were produced, which were notably improved after incorporating the influence of local factors such as topography and water bodies into the spatial models. In paper II, the results showed extreme variation in soil temperature and moisture over very short distances, while revealing the factors controlling the heterogeneity of ground thermal and hydrological conditions. Finally, the modelling outputs in papers III and IV provided new insights into the determination of geomorphic activity patterns across arctic alpine landscapes, while stressing the need for accurate climate data for predictive geomorphological distribution mapping. Importantly, Earth surface processes were found to be extremely climatic sensitivity, and drastic changes in geomorphic systems towards the end of 21st century can be expected. The increase of current temperature conditions by 2 ˚C was projected to cause a near complete loss of active ESPs in the high latitude study area. This thesis demonstrated the applicability of spatial modelling techniques as a useful framework in multiple key challenges of contemporary physical geography. Moreover, with the utilized model ensemble approach, the modelling uncertainty can be reduced while presenting the local trends in response variables more robustly. In future Earth system studies, it is essential to further assess the dynamics of arctic alpine landscapes under changing climatic conditions and identify potential tipping points of these sensitive systems.Ilmasto, maanpinnan prosessit sekä kosteus- että lämpötilaolot säätelevät maiseman kehitystä, ekosysteemien dynamiikkaa ja ihmistoimintaa korkeiden leveysasteiden alueilla. Nämä luonnonjärjestelmät ovat nykyaikaisen globaalimuutostutkimuksen keskiössä, sillä muuttuvien ilmasto-olojen on osoitettu vaikuttavan näiden herkkien ja pitkälle erikoistuneiden ympäristöjen toimintaan. Tämän väitöstyön tavoitteena oli 1) analysoida ja mallintaa ilman lämpötilojen äärioloja, maaperän lämpö- ja kosteusoloja sekä useita maanpinnan prosesseja (routakuohunta, rinneprosessit, lumenviipymäalueet ja palsasuot) sekä nykyisissä että tulevaisuuden ilmasto oloissa; 2) tunnistaa näiden ilmiöiden alueellista vaihtelua voimakkaimmin säätelevät ympäristötekijät; ja 3) kehittää menetelmiä, joilla on mahdollista tuottaa korkealaatuisia alueellisia aineistoja. Alueellisia analyysejä tehtiin läpi maantieteellisten mittakaavojen hyödyntäen tilastollisia mallinnusmenetelmiä, kuten regressio- ja koneoppimistekniikoita sekä parviennustamista. Tässä väitöstyössä hyödynnettiin monipuolisesti laajoja aineistoja pohjoisen Fennoskandian alueelta; ilmastoaineistoja Suomesta, Ruotsista ja Norjasta, moderneja ilmastomallisimulaatioita, paikallistason havaintoaineistoa arktis-alpiiniselta tundralta sekä kaukokartoitukseen perustuvia paikkatietoaineistoja. Ensimmäisessä osatyössä tuotettiin alueellisesti tarkkoja äärilämpötilakarttoja, jotka paranivat merkittävästi, kun paikallistekijöiden, kuten korkeussuhteiden ja vesistöjen vaikutus lisättiin malleihin. Toisessa osatyössä osoitettiin maaperän lämpö- ja kosteusolojen äärimmäinen pienipiirteinen alueellinen vaihtelu sekä tunnistettiin sitä sääteleviä ympäristötekijöitä. Kaksi viimeistä osatyötä toivat uusia näkökulmia geomorfologisen aktiivisuuden esiintymiseen arktis-alpiinisessa ympäristössä sekä korostivat tarkkojen ilmastoaineistojen merkitystä ennustavassa geomorfologisessa mallintamisessa. Huomionarvoista on, että useiden maanpinnan prosessien havaittiin olevan erittäin ilmastoherkkiä; vuosituhannen loppuun mennessä geomorfologisissa järjestelmissä voidaan odottaa tapahtuvan suuria muutoksia. Nykyisten lämpötilaolojen nousun kahdella asteella ennustettiin hävittävän lähes täysin aktiiviset maanpinnan prosessit tutkimusalueeltamme. Tämä väitöstyö on osoittanut, että alueellisen mallintamisen menetelmät ovat erittäin soveltuvia useisiin luonnonmaantieteen tutkimuskysymyksiin. Lisäksi työssä käytetyillä parviennustamismenetelmillä on mahdollista pienentää mallinnukseen liittyvää epävarmuutta ja esittää vastemuuttujien paikallinen vaihteluluotettavasti. Tulevaisuudessa on tärkeää edelleen arvioida arktis-alpiinisten alueiden toimintaa muuttuvissa ilmasto-olosuhteissa sekä tunnistaa näihin herkkien ympäristöjärjestelmien toimintaan eniten vaikuttavia tekijöitä

Periglasiaalisten ilmiöiden alueellinen mallintaminen subarktisessa ympäristössä

Periglacial processes act on cold, non-glacial regions where the landscape deveploment is mainly controlled by frost activity. Circa 25 percent of Earth's surface can be considered as periglacial. Geographical Information System combined with advanced statistical modeling methods, provides an efficient tool and new theoretical perspective for study of cold environments. The aim of this study was to: 1) model and predict the abundance of periglacial phenomena in subarctic environment with statistical modeling, 2) investigate the most import factors affecting the occurence of these phenomena with hierarchical partitioning, 3) compare two widely used statistical modeling methods: Generalized Linear Models and Generalized Additive Models, 4) study modeling resolution's effect on prediction and 5) study how spatially continous prediction can be obtained from point data. The observational data of this study consist of 369 points that were collected during the summers of 2009 and 2010 at the study area in Kilpisjärvi northern Lapland. The periglacial phenomena of interest were cryoturbations, slope processes, weathering, deflation, nivation and fluvial processes. The features were modeled using Generalized Linear Models (GLM) and Generalized Additive Models (GAM) based on Poisson-errors. The abundance of periglacial features were predicted based on these models to a spatial grid with a resolution of one hectare. The most important environmental factors were examined with hierarchical partitioning. The effect of modeling resolution was investigated with in a small independent study area with a spatial resolution of 0,01 hectare. The models explained 45-70 % of the occurence of periglacial phenomena. When spatial variables were added to the models the amount of explained deviance was considerably higher, which signalled a geographical trend structure. The ability of the models to predict periglacial phenomena were assessed with independent evaluation data. Spearman's correlation varied 0,258 - 0,754 between the observed and predicted values. Based on explained deviance, and the results of hierarchical partitioning, the most important environmental variables were mean altitude, vegetation and mean slope angle. The effect of modeling resolution was clear, too coarse resolution caused a loss of information, while finer resolution brought out more localized variation. The models ability to explain and predict periglacial phenomena in the study area were mostly good and moderate respectively. Differences between modeling methods were small, although the explained deviance was higher with GLM-models than GAMs. In turn, GAMs produced more realistic spatial predictions. The single most important environmental variable controlling the occurence of periglacial phenomena was mean altitude, which had strong correlations with many other explanatory variables. The ongoing global warming will have great impact especially in cold environments on high latitudes, and for this reason, an important research topic in the near future will be the response of periglacial environments to a warming climate.Periglasiaaliset prosessit vaikuttavat kylmillä, ei glasiaalisilla alueilla, joilla maiseman kehitystä ohjaavat pääosin erilaiset maaperän routimiseen liittyvät ilmiöt. Noin neljännes maankamarasta on näiden prosessien vaikutuksen alaisena. Paikkatietojärjestelmät ja kehittyneet tilastolliset mallinnusmenetelmät tarjoavat kustannustehokkaan työkalun sekä uuden teoreettisen näkökulman kylmien ympäristöjen tutkimiseen. Tutkielman tavoitteena oli: 1) mallintaa ja ennustaa subarktisessa ympäristössä esiintyvien periglasiaalisten ilmiöiden alueellisen esiintymisen runsautta tilastollisten mallinnusmenetelmien avulla, 2) selvittää ilmiöiden esiintymiseen eniten vaikuttavia tekijöitä hierarkkisella osituksella, 3) vertailla kahta mallinnusmenetelmää: yleistettyjä lineaarisia malleja sekä yleistettyjä additiivisia malleja, 4) tutkia mallinnusresoluution vaikutusta syntyvään ennusteeseen sekä 5) tutkia pistemäisen havaintoaineiston muuttamista alueellisesti kattavaksi. Tutkimuksen havaintoaineisto koostui 369 pisteestä, jotka on kerätty kesien 2009 ja 2010 aikana tutkimusalueella Kilpisjärvellä Käsivarren Lapissa. Tutkittavat periglasiaaliset ilmiöt olivat kryoturbaatio, rinneprosessit, rapautuminen, deflaatio, nivaatio sekä fluviaaliprosessit. Prosesseja mallinnettiin yleistetyillä lineaarisilla malleilla (GLM) ja yleistetyillä additiivisilla malleilla (GAM) perustuen Poisson virhejakaumaan. Mallien perusteella ennustettiin ilmiöiden esiintymisen runsautta mallinnusruudukkoon, jonka spatiaalinen resoluutio oli yksi hehtaari. Tärkeimpiä selittäviä ympäristömuuttujia tutkittiin lisäksi hierarkkisen osituksen avulla. Mallinnusresoluution vaikutusta selvitettiin pienen itsenäisen tutkimusalueen avulla. Mallit selittivät noin 45-70 % ilmiöiden alueellisesta esiintymisestä. Spatiaalisten muuttujien lisäämisen jälkeen selitysasteet kohosivat huomattavasti viitaten maantieteelliseen trendiin. Mallien ennustuskykyä tutkittiin itsenäisen evaluointiaineiston avulla. Spearmanin korrelaatiokertoimet evaluointiaineiston kanssa vaihtelivat 0,258 - 0,754. Selitetyn hajonnan ja hierarkkisen osituksen perusteella tärkeimmät muuttujat lähes kaikissa tapauksissa olivat korkeusmerenpinnasta, NDVI-kasvillisuusindeksi sekä rinteen kaltevuus. Mallinnusresoluution vaikutus oli selkeä: liian karkea resoluutio hävitti informaatiota hienomman resoluution tuodessa esiin enemmän vaihtelua, joka oli paremmin paikannettavissa. Kaikki mallit selittivät tutkittavia ilmiöitä pääosin hyvin ja ennustivat niitä kohtalaisesti. Käytettyjen mallinnusmenetelmien välillä oli hyvin vähän eroja, joskin GLM-mallien selitysasteet olivat hieman korkeampia kuin GAM-mallien. Toisaalta GAM-mallit tuottivat realistisempia alueellisia ennusteita. Tärkein yksittäinen muuttuja oli keskikorkeus, joka korreloi monen muun tärkeän selittävän muuttujan kanssa. Ilmastonmuutoksella tulee olemaan suurin vaikutus juuri kylmille alueille korkeilla leveysasteilla, jonka johdosta tulevaisuudessa tärkeä tutkimuskohde on periglasiaalisten ympäristöjen ja ilmiöiden vaste lämpenevään ilmastoon

Statistical modelling predicts almost complete loss of major periglacial processes in Northern Europe by 2100

The periglacial realm is a major part of the cryosphere, covering a quarter of Earth's land surface. Cryogenic land surface processes (LSPs) control landscape development, ecosystem functioning and climate through biogeochemical feedbacks, but their response to contemporary climate change is unclear. Here, by statistically modelling the current and future distributions of four major LSPs unique to periglacial regions at fine scale, we show fundamental changes in the periglacial climate realm are inevitable with future climate change. Even with the most optimistic CO2 emissions scenario (Representative Concentration Pathway (RCP) 2.6) we predict a 72% reduction in the current periglacial climate realm by 2050 in our climatically sensitive northern Europe study area. These impacts are projected to be especially severe in high-latitude continental interiors. We further predict that by the end of the twenty-first century active periglacial LSPs will exist only at high elevations. These results forecast a future tipping point in the operation of cold-region LSP, and predict fundamental landscape-level modifications in ground conditions and related atmospheric feedbacks.Peer reviewe

Significant shallow–depth soil warming over Russia during the past 40 years

Knowledge of the spatiotemporal dynamics of the soil temperature in cold environment is key to understanding the effects of climate change on land-atmosphere feedback and ecosystem functions. Here, we quantify the recent thermal status and trends in shallow ground using the most up-to-date data set of over 457 sites in Russia. The data set consists of in situ soil temperatures at multiple depths (0.8, 1.6, and 3.2 m) collected from 1975 to 2016. For the region as a whole, significant soil warming occurred over the period. The mean annual soil temperature at depths of 0.8, 1.6, and 3.2 m increased at the same level, at ca 0.30-0.31 degrees C/decade, whereas the increase in maximum soil temperature ranged from 0.40 degrees C/decade at 0.8 m to 0.31 degrees C/decade at 3.2 m. Unlike the maximum soil temperature, the increases in minimum soil temperature did not vary (ca 0.25 degrees C/decade) with depth. Due to the overall greater increase in maximum soil temperature than minimum soil temperature, the intra-annual variability of soil temperature increased over the decades. Moreover, the soil temperature increased faster in the continuous permafrost area than in the discontinuous permafrost and seasonal frost areas at shallow depths (0.8 and 1.6 m depth), and increased slower at the deeper level (3.2 m). The warming rate of the maximum soil temperature at the shallower depths was less than that at the deeper level over the discontinuous permafrost area but greater over the seasonal frost area. However, the opposite was found regarding the increase in minimum soil temperature. Correlative analyses suggest that the trends in mean and extreme soil temperatures positively relate to the trends in snow cover thickness and duration, which results in the muted response of intra-annual variability of the soil temperature as snow cover changes. This study provides a comprehensive view of the decadal evolutions of the shallow soil temperatures over Russia, revealing that the temporal trends in annual mean and extreme soil temperatures vary with depth and permafrost distribution.Peer reviewe

Decadal Changes in Soil and Atmosphere Temperature Differences Linked With Environment Shifts Over Northern Eurasia

Peer reviewe

Bayesian inference for the Brown-Resnick process, with an application to extreme low temperatures

Peer reviewe