Development of a high resolution permafrost distribution model in the Aksu catchment, Central Tian Shan

Abstract

Climate change is of great concern for the arid regions in Central Asia and significantly affects the hydrological cycle. Agricultural, social and economic development depends heavily on the water discharge from the rivers originating in the high mountains of the Central Tian Shan. While surface runoff in general is expected to increase in the short to mid term due to the melting of glaciers, little is known about the long term variations of permafrost and corresponding ground ice. Therefore, the overall aims of this thesis are (1) to identify key factors influencing the ground thermal regime, (2) to develop a local permafrost distribution model and (3) find implications for ground ice contents.The study focuses on the Aksu river, which contributes more than 70% to the overall discharge of the Tarim basin in Western China. As a first step, a dense ground temperature monitoring network is installed in an exemplary subcatchment. The temperatures are recorded hourly over two consecutive years (August 16th 2010 to August 15th 2012). Besides topographic features (altitude, slope and aspect) snow cover is identified as a key factor for both spatial and inter-annual variations of the ground thermal regime. As a second step, the monitored temperature data are used to develop an empirical-statistical permafrost distribution model. The model incorporates data derived from satellites and a Digital Elevation Model (DEM), such as Potential Incoming Solar Radiation (PISR) and altitude. The model output consists of the Mean Annual Ground Surface Temperature (MAGST) simulated with a 30 m horizontal resolution. The simulated MAGST was then classified into four likelihood groups for permafrost occurrence to create a high resolution permafrost distribution map for the whole research area.Due to the close interaction between the glacial and permafrost environment, large water resources exist in the form of rock glaciers and ice cored moraines. Furthermore, the existence of massive ground ice was verified by direct assessments at locations with low slopes and fine grained sediments. In general, the ground ice content in the Central Tian Shan is very high, which is also confirmed by analysis of zero curtain periods at different depth of the active layer. Therefore, the results in this study clearly stress the importance of the permafrost environment for the water balance in the entire region. The reaction time of permafrost to climate change is much slower than that of glaciers and large amounts of ground ice can be preserved over long time periods. Die wirtschaftliche Entwicklung in den Trockengebieten Zentralasiens ist eng mit dem Wasserabfluss aus den angrenzenden Gebirgen verknüpft. Daher sind die Auswirkungen des Klimawandels auf diese Region von großer Bedeutung. Allgemein ist von einer Erhöhung des Wasserabflusses durch das Abschmelzend der Gletscher im Zentralen Tian Shan auszugehen. Die Verbreitung von Permafrost und der Einfluss von Bodeneis sind hingegen weitgehend unbekannt. Die Ziele der vorliegenden Arbeit bestehen somit darin (1) Faktoren zu identifizieren, welche sich auf die Untergrundtemperatur auswirken, (2) die Entwicklung eines statistisch-empirischen Modells zur Permafrostverbreitung und (3) Indikatoren für das Vorkommen von Bodeneis zu finden.Das Untersuchungsgebiet befindet sich im Einzugsgebiet des Aksu. Dieser Fluss entspringt im Zentralen Tian Shan und trägt über 70 % zum Gesamtabfluss im Tarimbecken in West China bei. Insgesamt wurden an 69 Standorten Logger und Temperatursensoren installiert, welche die Untergrundtemperatur in stündlichem Intervall über zwei Jahre hinweg messen (16. August 2010 - 15. August 2012). Durch statistische Datenauswertung konnten die topographischen Faktoren (Höhe über Meer und Hangneigung) sowie die Schneebedeckung als wichtigste Parameter für räumliche Variationen der Untergrundtemperatur identifiziert werden. Darauf aufbauend wurde mit diesen Parametern ein empirisch-statistisches Model zur Permafrostverbreitung entwickelt. Die benötigten Daten wurden mithilfe von Satellitendaten abgeleitet (Digitales Höhenmodel, Potenzielle Sonneneinstrahlung etc.). Das Resultat des Modells ist die flächenhaft simulierte durchschnittliche jährliche Oberflächentemperatur für das Untersuchungsgebiet. Diese ist ein idealer Indikator für Permafrostvorkommen und wurde in eine Karte zur Permafrostverbreitung mit 30 m horizontaler Auflösung umgewandelt.Das Untersuchungsgebiet zeichnet sich durch eine hohe Verbreitung von Blockgletschern und Moränen mit massiven Eiskernen aus. Weiterhin wurden durch direkte Untersuchungen vor Ort große Mengen an Bodeneis auf Höhen über 3.800 m nachgewiesen. Durch die detaillierte Analyse der tieferen Untergrundtemperaturen konnten zudem große Bodeneisvorkommen für den gesummten Zentralen Tian Shan abgeleitet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind daher von großer Bedeutung für weitere Studien in dieser Region und heben den Einfluss von Permafrost auf den Wasserhaushalt hervor. Insbesondere vor dem Hintergrund des Klimawandels können durch die langsamere Reaktionszeit von Permafrost auf Temperaturerhöhungen im Vergleich zu Gletschern große Mengen an Bodeneis auch über lange Zeiträume erhalten werden.