German Title: Modellierung der Temperaturdynamik von polyonalen Bodenstrukturen im Permafrostboden des Lena-Deltas in Nordsibirien

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Abstract

Patterned ground structures characterised by strong heterogeneities in surface and subsur- face properties are a common feature of permafrost landscapes in the Arctic. In this thesis, an existing permafrost model including conductive heat transfer and the phase change of water is extended to simulate the thermal dynamics of polygonal soil structures in an Arctic tundra wetland in Northern Siberia. A two-dimensional model formulation in cylindrical coordinates is implemented and coupled to a surface energy balance model. The model performance is assessed by a comparison with analytical solutions and field measurements of soil temperature and surface heat fluxes. The heat transfer in the soil is represented well with mean absolute deviations of up to 1 ◦ C. The coupled simulations with surface energy balance calculation represent the soil temperatures with larger deviations that can be attributed to the description of the snow cover in the model. Lateral heat fluxes in the polygon only occur during limited periods and do not have a substantial impact on the thermal dynamics of the system. Simplified one-dimensional model descriptions based on averaged soil and surface parameters show a cold bias of up to 0.7 ◦ C in the mean annual temperature of the permafrost compared with the detailed two-dimensional model. The thaw depth is simulated consistently by the models of different complexity .

Translation of abstract (German)

Frostmusterböden mit starker Heterogenität in den Boden- und Oberflächeneigenschaften sind charakteristisch für die Permafrostgebiete der Arktis. In dieser Arbeit wird ein existierendes Permafrostmodell für konduktiven Wärmetransport im Boden inklusive des Phasenwechsels von Wasser erweitert um die Temperaturdynamik von polygonalen Bo- denstrukturen in der Tundra Nordsibiriens zu simulieren. Es wird eine zweidimensionale Beschreibung in Zylinderkoordinaten entwickelt und an ein Oberflächenenergiebilanzmod- ell gekoppelt. Zur Überprüfung der Modellergebnisse werden analytische Lösungen der Wärmeleitungsgleichung betrachtet und ein Vergleich mit gemessenen Bodentemperaturen und Wärmeflüssen durchgeführt. Der Wärmetransport im Boden wird mit mittleren abso- luten Abweichungen von bis zu 1 ◦ C gut repräsentiert. Die gekoppelten Simulationen mit Berechnung der Oberflächenenergiebilanz weisen größere Abweichungen auf, die haupt- sächlich auf die Beschreibung der Schneedecke im Modell zurückgeführt werden können. Laterale Wärmeflüsse treten im Polygon nur in beschränkten Zeiträumen auf und haben keinen nennenswerten Einfluss auf die Temperaturdynamik des Systems. Vereinfachte eindimensionale Modellbeschreibungen auf Basis von gemittelten Boden- und Oberflächen- parametern zeigen eine Unterschätzung der Jahresmitteltemperaturen im Permafrost von bis zu −0.7 ◦ C gegenüber detaillierten zweidimensionalen Simulationen. Die Auftautiefe des Bodens wird von den Modellen unterschiedlicher Komplexität konsistent repräsentiert.