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Hydraulic and Thermal Dynamics at Various Permafrost Sites on the Qinghai-Tibet Plateau

Pan, Xicai

German Title: Hydraulische und thermische Dynamik verschiedener Permafroststandorte auf dem Qinghai-Tibet Plateau

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Abstract

Heat transfer mechanisms governing the permafrost-atmosphere interaction are essential to understand present permafrost degradation. Hydraulic and thermal dynamics of various active layers at four di erent permafrost sites on the QTP were investigated with various geophysical methods and soil-weather monitoring stations. Complex eld data were detected and processed with appropriate methods. The principal physical processes controlling the active-layer thermal regime were characterized with a surface energy balance method at Chumaer, Qumahe and Tianshuihai. As a geophysical tool for characterizing soil properties, multi-channel GPR was further explored. Through Monte Carlo uncertainty analysis and eld tests, the accuracy of the multi-channel GPR method and its capability of quantifying eld-scale hydraulic properties and processes was validated at a non-permafrost sandy site. Based on precise soil temperature and soil water content data, heat transfer in various active layers were characterized with a transfer function method. Given the characteristics of ground heat transfer at the study sites, an inverse method for seasonal thermal conductivity parameterization was tested. Combining the transfer function method and the multi-channel GPR, a eld-scale thermal conductivity parameterization was proposed at the end.

Translation of abstract (German)

Temperaturtransfermechanismen, welche den Austausch von Permafrost und Atmosphäre dominieren, sind von essentieller Bedeutung um den derzeitigen Rückgang des Permafrost zu verstehen. Die hydraulische und thermische Dynamik verschiedener aktiver Schichten an vier verschiedenen Permafrost beobachtungsstellen auf dem QTP wurden mit Hilfe mehrerer geophysikalischer Methoden und Boden-Atmosphäre Beobachtungsstationen untersucht. Komplexe Felddaten wurden ausgewählt und mit passenden Methoden prozessiert. Die grundlegenden physikalischen Prozesse, welche das thermische Regime der aktiven Schicht dominieren, wurden mit der Oberflächenenergiebilanzmethode bei Chumaer, Qumahe und Tianshuihai charakterisiert. Multikanalgeoradar wurde als geophysikalische Methode zur Charakterisierung von Bodeneigenschaften tiefer gehend untersucht. Die Genauigkeit der Multikanalgeoradarmethode und ihre Tauglichkeit zur Quanti zierung hydraulischer Eigenschaften und Prozesse auf der Feldskala wurde mit Hilfe einer Monte-Carlo Analyse zur Fehlerabschätzungs und einem Test auf einem nicht dauerhaft gefrorenen sandigem Feld validiert. Basierend auf präzisen Bodentemperatur- und Bodenwassergehaltsmessungen wurde der Temperaturtransfer in verschiedenen aktiven Schichten mit Hilfe von Transferfunktionen charakterisiert. Eine inverse Methode zur Parametrisierung der saisonalen thermischen Leitfähigkeit wurde mit den gegebenen Charakteristika des Temperaturtransfers im Untergrund an den Testfeldern untersucht. Mit der Kombination der Transferfunktions- und der Multikanalgeoradarmethode wurde eine Parametrisierung der thermischen Leitfähigkeit auf der Feldskala abgeleitet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Date of thesis defense: 18. April 2011
Date Deposited: 14. Jun 2011 12:22
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Dauerfrostboden, Hochland von Tibet, Elektromagnetische Reflexionsmethode, Parametrisierung
Uncontrolled Keywords: thermische regimepermafrost , Tibetan Plateau , thermal regime , ground-penetrating radar , parametrization
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