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Sensitivity of Permafrost

Westermann, Sebastian

German Title: Sensitivität von Permafrost

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Abstract

Arctic permafrost may be adversely affected by climate change in a number of ways, so that establishing a world-wide monitoring program seems imperative. This thesis evaluates possibilities for permafrost monitoring at the example of a permafrost site on Svalbard, Norway. An energy balance model for permafrost temperatures is developed that evaluates the different components of the surface energy budget in analogy to climate models. The surface energy budget, consisting of radiation components, sensible and latent heat fluxes as well as the ground heat flux, is measured over the course of one year, which has not been accomplished for arctic land areas so far. A considerable small-scale heterogeneity of the summer surface temperature is observed in long-term measurements with a thermal imaging system, which can be reproduced in the energy balance model. The model can also simulate the impact of different snow depths on the soil temperature, that has been documented in field measurements. Furthermore, time series of terrestrial surface temperature measurements are compared to satellite-borne measurements, for which a significant cold-bias is observed during winter. Finally, different possibilities for a world-wide monitoring scheme are assessed. Energy budget models can incorporate different satellite data sets as training data sets for parameter estimation, so that they may constitute an alternative to purely satellite-based schemes.

Translation of abstract (German)

Permafrostböden in der Arktis unterliegen im Zuge des Klimawandels einer Reihe von Veränderungen, was den Aufbau eines weltweiten Monitoring-Programms zwingend notwendig macht. In dieser Arbeit wird ein Energiebilanz- Modell für einen Permafrost-Standort auf Svalbard in Norwegen entwickelt, das in Analogie zu Klimamodellen die einzelnen Komponenten der Energiebilanz an der Oberfläche und die Bodentemperaturen berechnet. Dazu wurde die Oberflächenenergiebilanz, bestehend aus den Strahlungskomponenten, dem fühlbaren und latenten Wärmestrom sowie dem Bodenwärmestrom, für die Dauer eines Jahres gemessen, was bisher für arktische Landgebiete noch nicht durchgeführt wurde. Messungen der Oberflächentemperatur mit einer Thermalkamera zeigen eine deutliche räumliche Variabilität dieser wichtigen Variablen, die sich im Rahmen des Energiebilanz-Modells reproduzieren lässt. Auch die Auswirkung der in Messungen dokumentierten starken Heterogenität der Schneehöhen auf die Bodentemperaturen kann mit dem entwickelten Energiebilanzmodell simuliert werden. Des weiteren werden Bodenmessungen der Oberflächentemperatur mit Satellitendaten verglichen, wobei sich insbesondere während des Winters deutlich zu kalte Temperaturen in der Satellitenmessung ergeben. Abschließend werden verschiedene Möglichkeiten diskutiert, wie die entwickelten Konzepte für ein Permafrost-Monitoring-Programm genutzt werden könnten. Hierbei zeichnen sich Energiebilanzmodelle vor allem durch ihre enge Anlehnung an vorhandene Klimamodelle sowie die Flexibilität aus, verschiedene Satellitendaten als Trainingsdatensätze zur Parameterschätzung einbeziehen zu können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Date of thesis defense: 14. October 2010
Date Deposited: 26. Oct 2010 10:32
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Dauerfrostboden, Energiebilanz, Oberflächentemperatur, Modellierung, Klimaänderung
Uncontrolled Keywords: Permafrost , surface energy budget , surface temperature , modeling , climate change
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