Original paper

Influence of atmospheric forcing parameters on modelled mountain permafrost evolution

Engelhardt, Markus; Hauck, Christian; Salzmann, Nadine

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 5 (2010), p. 491 - 500

published: Oct 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0476

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ArtNo. ESP025011905009, Price: 29.00 €

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Abstract

To evaluate the sensitivity of mountain permafrost to atmospheric forcing, the dominant meteorological variables such as temperature, precipitation and timing and duration of snow cover have to be considered. Simulations with a one-dimensional coupled heat and mass transfer model (CoupModel) are used to investigate the interactions between the atmosphere and the ground focusing on ground temperature evolution and the temporal variability of the depth of the unfrozen top layer in summer (active layer depth). Idealised and observed atmospheric forcing data sets are used to determine the meteorological conditions, which show the largest impact on the permafrost regime. Borehole temperature and energy balance data from the permafrost station Schilthorn (2900 m asl, Berner Oberland) are used for verification. The results for the Schilthorn site show the largest impact due to summer temperatures changes during the snow free period and to a lesser extent winter precipitation which influence the duration of the snow cover. Similarly important is the timing of the first snow event in autumn which leads to a sufficiently large snow cover to isolate the ground from atmospheric forcing. Simulations with different data sets from Regional Climate Model (RCM) simulations derived from an ensemble of models and scenarios show that the differences in changes of active layer depth between different RCMs are on the same order than between different scenarios.

Kurzfassung

Um die Empfindlichkeit von Gebirgspermafrost auf atmosphärischen Einfluss zu untersuchen, müssen die bestimmenden meteorologischen Größen wie Temperatur, Niederschlag, Zeitpunkt und Dauer der Schneebedeckung berücksichtigt werden. Simulationen mit einem eindimensionalen gekoppelten Wärme- und Massentransportmodell (CoupModel) werden verwendet, um die Wechselwirkung zwischen der Atmosphäre und dem Boden zu ermitteln, wobei der Schwerpunkt auf die Bodentemperaturentwicklung und die zeitlichen Schwankungen der ungefrorenen obersten Schicht im Sommer (Auftauschicht) gelegt wird. Idealisierte und beobachtete Daten von atmosphärischen Antriebsgrößen werden verwendet, um die meteorologische Bedingungen zu bestimmen, die den größten Einfluss auf den Permafrost aufweisen. Bohrlochtemperaturdaten und Energiebilanzdaten der Permafroststation Schilthorn (2900 m ü. NHN, Berner Oberland) werden zu Kontrollzwecken verwendet. Die Ergebnisse für das Schilthorn zeigen die größte Einwirkung aufgrund von Änderungen der Sommertemperatur während der schneefreien Zeit und zu einem geringeren Ausmaß durch Winterniederschlag, welcher die Zeit der Schneebedeckung beeinflusst. Von ähnlicher Bedeutung ist der Zeitpunkt des ersten Schneefalls im Herbst, der zu einer ausreichend hohen Schneebedeckung führt, um den Boden von atmosphärischem Einfluss zu isolieren. Simulationen mit verschiedenen Zeitreihen regionaler Klimamodelle (RCM), abgeleitet aus einem Ensemble von Modellen und Szenarien, zeigen, dass die Unterschiede der Änderungen der Auftauschicht aus den Ergebnissen der verschiedenen Modelle in der gleichen Größenordnung liegen wie die Unterschiede aus verschiedenen Szenarien.