TY - THES A1 - Runge, Alexandra T1 - Multispectral time series analyses with Landsat and Sentinel-2 to assess permafrost disturbances in North Siberia T1 - Multispektrale Zeitreihenanalyse mit Landsat und Sentinel-2 zur Einschätzung von Permafroststörungen in Nordsibirien N2 - Permafrost is warming globally, which leads to widespread permafrost thaw and impacts the surrounding landscapes, ecosystems and infrastructure. Especially ice-rich permafrost is vulnerable to rapid and abrupt thaw, resulting from the melting of excess ground ice. Local remote sensing studies have detected increasing rates of abrupt permafrost disturbances, such as thermokarst lake change and drainage, coastal erosion and RTS in the last two decades. All of which indicate an acceleration of permafrost degradation. In particular retrogressive thaw slumps (RTS) are abrupt disturbances that expand by up to several meters each year and impact local and regional topographic gradients, hydrological pathways, sediment and nutrient mobilisation into aquatic systems, and increased permafrost carbon mobilisation. The feedback between abrupt permafrost thaw and the carbon cycle is a crucial component of the Earth system and a relevant driver in global climate models. However, an assessment of RTS at high temporal resolution to determine the dynamic thaw processes and identify the main thaw drivers as well as a continental-scale assessment across diverse permafrost regions are still lacking. In northern high latitudes optical remote sensing is restricted by environmental factors and frequent cloud coverage. This decreases image availability and thus constrains the application of automated algorithms for time series disturbance detection for large-scale abrupt permafrost disturbances at high temporal resolution. Since models and observations suggest that abrupt permafrost disturbances will intensify, we require disturbance products at continental-scale, which allow for meaningful integration into Earth system models. The main aim of this dissertation therefore, is to enhance our knowledge on the spatial extent and temporal dynamics of abrupt permafrost disturbances in a large-scale assessment. To address this, three research objectives were posed: 1. Assess the comparability and compatibility of Landsat-8 and Sentinel-2 data for a combined use in multi-spectral analysis in northern high latitudes. 2. Adapt an image mosaicking method for Landsat and Sentinel-2 data to create combined mosaics of high quality as input for high temporal disturbance assessments in northern high latitudes. 3. Automatically map retrogressive thaw slumps on the landscape-scale and assess their high temporal thaw dynamics. We assessed the comparability of Landsat-8 and Sentinel-2 imagery by spectral comparison of corresponding bands. Based on overlapping same-day acquisitions of Landsat-8 and Sentinel-2 we derived spectral bandpass adjustment coefficients for North Siberia to adjust Sentinel-2 reflectance values to resemble Landsat-8 and harmonise the two data sets. Furthermore, we adapted a workflow to combine Landsat and Sentinel-2 images to create homogeneous and gap-free annual mosaics. We determined the number of images and cloud-free pixels, the spatial coverage and the quality of the mosaic with spectral comparisons to demonstrate the relevance of the Landsat+Sentinel-2 mosaics. Lastly, we adapted the automatic disturbance detection algorithm LandTrendr for large-scale RTS identification and mapping at high temporal resolution. For this, we modified the temporal segmentation algorithm for annual gradual and abrupt disturbance detection to incorporate the annual Landsat+Sentinel-2 mosaics. We further parametrised the temporal segmentation and spectral filtering for optimised RTS detection, conducted further spatial masking and filtering, and implemented a binary object classification algorithm with machine-learning to derive RTS from the LandTrendr disturbance output. We applied the algorithm to North Siberia, covering an area of 8.1 x 106 km2. The spectral band comparison between same-day Landsat-8 and Sentinel-2 acquisitions already showed an overall good fit between both satellite products. However, applying the acquired spectral bandpass coefficients for adjustment of Sentinel-2 reflectance values, resulted in a near-perfect alignment between the same-day images. It can therefore be concluded that the spectral band adjustment succeeds in adjusting Sentinel-2 spectral values to those of Landsat-8 in North Siberia. The number of available cloud-free images increased steadily between 1999 and 2019, especially intensified after 2016 with the addition of Sentinel-2 images. This signifies a highly improved input database for the mosaicking workflow. In a comparison of annual mosaics, the Landsat+Sentinel-2 mosaics always fully covered the study areas, while Landsat-only mosaics contained data-gaps for the same years. The spectral comparison of input images and Landsat+Sentinel-2 mosaic showed a high correlation between the input images and the mosaic bands, testifying mosaicking results of high quality. Our results show that especially the mosaic coverage for northern, coastal areas was substantially improved with the Landsat+Sentinel-2 mosaics. By combining data from both Landsat and Sentinel-2 sensors we reliably created input mosaics at high spatial resolution for comprehensive time series analyses. This research presents the first automatically derived assessment of RTS distribution and temporal dynamics at continental-scale. In total, we identified 50,895 RTS, primarily located in ice-rich permafrost regions, as well as a steady increase in RTS-affected areas between 2001 and 2019 across North Siberia. From 2016 onward the RTS area increased more abruptly, indicating heightened thaw slump dynamics in this period. Overall, the RTS-affected area increased by 331 % within the observation period. Contrary to this, five focus sites show spatiotemporal variability in their annual RTS dynamics, alternating between periods of increased and decreased RTS development. This suggests a close relationship to varying thaw drivers. The majority of identified RTS was active from 2000 onward and only a small proportion initiated during the assessment period. This highlights that the increase in RTS-affected area was mainly caused by enlarging existing RTS and not by newly initiated RTS. Overall, this research showed the advantages of combining Landsat and Sentinel-2 data in northern high latitudes and the improvements in spatial and temporal coverage of combined annual mosaics. The mosaics build the database for automated disturbance detection to reliably map RTS and other abrupt permafrost disturbances at continental-scale. The assessment at high temporal resolution further testifies the increasing impact of abrupt permafrost disturbances and likewise emphasises the spatio-temporal variability of thaw dynamics across landscapes. Obtaining such consistent disturbance products is necessary to parametrise regional and global climate change models, for enabling an improved representation of the permafrost thaw feedback. N2 - Permafrostböden erwärmen sich global, was zu weit verbreitetem Auftauen des Permafrosts führt und die angrenzenden Landschaften, Ökosysteme und Infrastruktur beeinflusst. Insbesondere eisreicher Permafrostboden ist anfällig für schnelles und abruptes Auftauen. Lokale Fernerkundungsstudien haben zunehmende Raten von abrupten Permafroststörungen festgestellt, was auf eine beschleunigte Degradation des Permafrostbodens hinweist. Vor allem Taurutschungen sind sehr abrupte Störungen, die sich jedes Jahr um bis zu mehreren Metern vergrößern und damit ihre Umgebung stark verändern. Unter anderem erhöht sich die Freisetzung von Kohlenstoff. Es ist daher wichtig zu bestimmen, wie viel und wie schnell Permafrostböden auftauen, um dieses auch in globale Klimamodelle einfließen lassen zu können. Primär, fehlen Untersuchungen mit vielen regelmäßigen Datenpunkten, um die zeitliche Entwicklung der Auftauprozesse zu bestimmen und die wichtigsten Taugründe zu ermitteln. Ferner fehlt die Untersuchung von abrupten Permafrosttauen für eine große Region. Die Fernerkundungsdatengrundlage für nördliche Breitengrade ist sehr gering, wodurch viele Untersuchungsalgorithmen nicht angewendet werden können. Das Hauptziel ist besser zu verstehen wo abrupte Permafroststörungen auftreten und wie schnell sie sich entwickeln und dies für eine große Region zu bestimmen. Folgende Forschungsziele wurden bearbeitet: 1. Die Bilddaten von Landsat und Sentinel-2 für eine gemeinsame Analysen in nördlichen hohen Breitengraden nutzen, 2. Eine Bildmosaik-Methode anpassen, so dass Landsat und Sentinel-2 Daten gemeinsam genutzt werden können, und 3. Automatisiert Identifizierung von Taurutschungen und die Untersuchung ihrer zeitlichen Entwicklung. Dafür haben wir Landsat-8 und Sentinel-2 Bilder verglichen und sie Werte bestimmt, um sie miteinander anzupassen. Des Weiteren haben wir Mosaike aus Landsat und Sentinel-2 Daten erstellt. Als letzten haben wir einen Algorithmus zur Erkennung von Permafroststörungen angepasst. Das Studiengebiet war Nordsibirien. Die Anpassungwerte von Landsat-8 und Sentinel-2 sorgen für eine gute Angleichung der Bilder. Die gemeinsamen Landsat und Sentinel-2 Mosaike decken das Untersuchungsgebiet gut ab und haben keine Datenlücken. Dies ist besonders für nördliche Küstenregionen eine Verbesserung. Mit den Landsat und Sentinel-2 Mosaiken kann der Algorithmus zur Erkennung von abrupten Permafroststörungen auf eine große Region angewendet werden. Wir haben 50.895 Taurutschungen hauptsächlich in eisreichen Permafrostregionen identifiziert. Die Fläche mit Taurutschungen hat sich von 2001 bis 2019 erhöht in Nordsibieren. Die Taurutschen waren ab 2016 besonders aktiv. Insgesamt ist die Fläche um 331 % angestiegen. Verschiedene lokale Untersuchungsgebiete zeigten, dass sich die Taurutschungen in manchen Jahren mehr und in anderen weniger entwickeln, was mit unterschiedlichen Taugründen zusammenhängt. Die meisten Taurutschungen gab es ab 2000 und nur wenig Neue entwickelten sich später. Dies zeigt, dass hauptsächlich bestehende Taurutschungen größer werden und zum Permafrosttauen beitragen. Insgesamt zeigte diese Untersuchung die Vorteile Landsat und Sentinel-2 Daten gemeinsam in nördlichen Breitengraden zu nutzen. Die gemeinsamen Mosaike helfen den Algorithmus zur Erkennung von Permafroststörungen anzuwenden. Unsere Ergebnisse zeigen die Taurutschungen in Nordsibirien und wie viel sie in den letzten 20 Jahren größer geworden sind. Die Taurutschungen entwickeln sich in verschiedenen Regionen zeitlich unterschiedlich. Dieses Ergebnis hilft Permafroststörungen besser in Klimamodelle einzubinden. KW - Remote Sensing KW - permafrost landscapes KW - time series KW - permafrost thaw disturbances KW - northern high latitudes KW - Fernerkundung KW - nördliche hohe Breitengrade KW - Permafrostlandschaften KW - Permafrost-Taustörungen KW - Zeitserie KW - Erdbeobachtung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522062 ER - TY - THES A1 - Hoffmann, Anne T1 - Comparative aerosol studies based on multi-wavelength Raman LIDAR at Ny-Ålesund, Spitsbergen T1 - Vergleichende Aerosolstudien mittels Mehrwellenlängen-Raman-LIDAR in Ny-Ålesund,Spitzbergen N2 - The Arctic is a particularly sensitive area with respect to climate change due to the high surface albedo of snow and ice and the extreme radiative conditions. Clouds and aerosols as parts of the Arctic atmosphere play an important role in the radiation budget, which is, as yet, poorly quantified and understood. The LIDAR (Light Detection And Ranging) measurements presented in this PhD thesis contribute with continuous altitude resolved aerosol profiles to the understanding of occurrence and characteristics of aerosol layers above Ny-Ålesund, Spitsbergen. The attention was turned to the analysis of periods with high aerosol load. As the Arctic spring troposphere exhibits maximum aerosol optical depths (AODs) each year, March and April of both the years 2007 and 2009 were analyzed. Furthermore, stratospheric aerosol layers of volcanic origin were analyzed for several months, subsequently to the eruptions of the Kasatochi and Sarychev volcanoes in summer 2008 and 2009, respectively. The Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL) is an instrument for the active remote sensing of atmospheric parameters using pulsed laser radiation. It is operated at the AWIPEV research base and was fundamentally upgraded within the framework of this PhD project. It is now equipped with a new telescope mirror and new detection optics, which facilitate atmospheric profiling from 450m above sea level up to the mid-stratosphere. KARL provides highly resolved profiles of the scattering characteristics of aerosol and cloud particles (backscattering, extinction and depolarization) as well as water vapor profiles within the lower troposphere. Combination of KARL data with data from other instruments on site, namely radiosondes, sun photometer, Micro Pulse LIDAR, and tethersonde system, resulted in a comprehensive data set of scattering phenomena in the Arctic atmosphere. The two spring periods March and April 2007 and 2009 were at first analyzed based on meteorological parameters, like local temperature and relative humidity profiles as well as large scale pressure patterns and air mass origin regions. Here, it was not possible to find a clear correlation between enhanced AOD and air mass origin. However, in a comparison of two cloud free periods in March 2007 and April 2009, large AOD values in 2009 coincided with air mass transport through the central Arctic. This suggests the occurrence of aerosol transformation processes during the aerosol transport to Ny-Ålesund. Measurements on 4 April 2009 revealed maximum AOD values of up to 0.12 and aerosol size distributions changing with altitude. This and other performed case studies suggest the differentiation between three aerosol event types and their origin: Vertically limited aerosol layers in dry air, highly variable hygroscopic boundary layer aerosols and enhanced aerosol load across wide portions of the troposphere. For the spring period 2007, the available KARL data were statistically analyzed using a characterization scheme, which is based on optical characteristics of the scattering particles. The scheme was validated using several case studies. Volcanic eruptions in the northern hemisphere in August 2008 and June 2009 arose the opportunity to analyze volcanic aerosol layers within the stratosphere. The rate of stratospheric AOD change was similar within both years with maximum values above 0.1 about three to five weeks after the respective eruption. In both years, the stratospheric AOD persisted at higher rates than usual until the measurements were stopped in late September due to technical reasons. In 2008, up to three aerosol layers were detected, the layer structure in 2009 was characterized by up to six distinct and thin layers which smeared out to one broad layer after about two months. The lowermost aerosol layer was continuously detected at the tropopause altitude. Three case studies were performed, all revealed rather large indices of refraction of m = (1.53–1.55) - 0.02i, suggesting the presence of an absorbing carbonaceous component. The particle radius, derived with inversion calculations, was also similar in both years with values ranging from 0.16 to 0.19 μm. However, in 2009, a second mode in the size distribution was detected at about 0.5 μm. The long term measurements with the Koldewey Aerosol Raman LIDAR in Ny-Ålesund provide the opportunity to study Arctic aerosols in the troposphere and the stratosphere not only in case studies but on longer time scales. In this PhD thesis, both, tropospheric aerosols in the Arctic spring and stratospheric aerosols following volcanic eruptions have been described qualitatively and quantitatively. Case studies and comparative studies with data of other instruments on site allowed for the analysis of microphysical aerosol characteristics and their temporal evolution. N2 - Die Arktis ist ein bezüglich Klimaveränderungen besonders sensitives Gebiet, d.h. die globale Erwärmung wirkt sich aufgrund der saisonal hochvariablen Strahlungsbedingungen und der Bodenalbedo dort verstärkt aus.Wolken und Aerosole als Bestandteile der arktischen Atmosphäre spielen dabei eine besondere Rolle im Strahlungsgleichgewicht. Die vorliegende Promotionsarbeit leistet mit Hilfe von LIDAR-Messungen (Light Detection and Ranging) einen Beitrag zum Verständnis von Vorkommen und Eigenschaften von Aerosolschichten über Ny-Ålesund, Spitzbergen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Analyse von Zeiträumen mit erhöhter Aerosolbelastung. Es wurde zum einen die arktische Troposphäre zweier Frühjahre (März und April der Jahre 2007 und 2009) untersucht, da im Frühjahr die Aerosol-optische Dicke (AOD) in der Arktis Maximalwerte erreicht. Zum anderen wurden stratosphärische Aerosolschichten vulkanischen Ursprungs analysiert, die in den Sommern 2008 und 2009 nach Ausbrüchen der Kasatochi und Sarychev Vulkane jeweils für mehrere Monate in der unteren Stratosphäre messbar waren. Das an der AWIPEV Forschungsstation betriebene Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL), ein Instrument zur optischen Fernerkundung atmosphärischer Parameter mittels gepulster Laserstrahlung, wurde im Rahmen der Promotion grundlegend überarbeitet und mit einem neuen Teleskop sowie neuen Detektoroptiken versehen. Dies ermöglicht die Profilerfassung ab 450m über dem Meeresspiegel bis in die mittlere Stratosphäre. KARL liefert hochaufgelöste Messungen der Streueigenschaften von Aerosol- undWolkenteilchen (Rückstreuung, Extinktion und Depolarisation) sowieWasserdampfprofile in der unteren Troposphäre. Durch die Kombination von KARL Messungen mit Daten anderer Messgeräte an der AWIPEV Forschungsstation wie Radiosonden, Sonnenphotometer, Micro Pulse LIDAR und Fesselsonden wurde ein umfassender Datenbestand von Streuphänomenen in der arktischen Atmosphäre geschaffen. Die beiden genannten Frühjahreszeiträume März und April 2007 und 2009 wurden zunächst anhand meteorologischer Parameter, wie lokaler Temperatur- und Feuchteprofile sowie großskaliger Druckmuster und Luftmassenquellgebiete analysiert. Dabei konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Quellgebieten und erhöhter AOD festgestellt werden. In einem Vergleich zweier wolkenfreier Perioden im März 2007 und April 2009 war jedoch die höhere Aerosolbelastung in 2009 mit dem Transport von Luftmassen durch die innere Arktis verbunden. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer von Aerosolen lässt das entweder Aerosol-Entstehungsprozesse in der Zentralarktis oder Transformationsprozesse während des Transportes nach Ny-Ålesund vermuten. Für Messungen am 4. April 2009 mit Maximalwerten der AOD von bis zu 0.12 konnte die Größe der Aerosolteilchen in verschiedenen Höhen mit Hilfe von Inversionsrechnungen abgeschätzt werden. Diese und andere betrachtete Fallstudien legen eine Unterscheidung von Aerosolereignissen in drei Kategorien nahe, die sich in ihrer Entstehung deutlich unterscheiden: Vertikal begrenzte Aeosolschichten in trockener Luft, zeitlich hochvariable feuchte Aerosolschichten in der planetaren Grenzschicht sowie eine erhöhte Aerosolbelastung über große Teile der Troposphäre. Für das sehr klare Frühjahr 2007 wurden die vorhandenen KARL-Daten mit Hilfe eines Klassifikationsschemas, das auf den optischen Eigenschaften der streuenden Teilchen beruht, statistisch ausgewertet. Das verwendete Schema wurde mit Hilfe von verschiedenen Fallstudien validiert und ermöglicht bei Anwendung auf größere Datenbestände eine aussagekräftige Analyse von jährlichen Schwankungen der Aerosol- und Wolkenvorkommen über Ny-Ålesund. Die Ausbrüche zweier Vulkane in der nördlichen Hemisphäre im August 2008 und im Juni 2009 erlaubten die Analyse vulkanischer Aerosolschichten in der Stratosphäre. Die zeitliche Entwicklung der stratosphärischen AOD verlief in beiden Jahren ähnlich mit Maximalwerten von über 0.1 etwa drei bis fünfWochen nach dem jeweiligen Ausbruch. In beiden Jahren wurden bis zum technisch bedingten Abbruch der Messungen jeweils Ende September erhöhte stratosphärische AOD Werte gemessen. Die niedrigste Aerosolschicht konnte jeweils direkt an der Tropopause detektiert werden. Im Jahr 2008 wurden bis zu drei Schichten detektiert, die Struktur 2009 war durch bis zu sechs schmale Schichten gekennzeichnet, die nach etwa zwei Monaten zu einer breiten Schicht verschmierten. Drei Fallstudien zu mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften wurden durchgeführt. Dabei wurden für beide Jahre sehr große Brechungsindices von m=(1.53–1.55) - 0.02i ermittelt, die auf eine absorbierende Kohlenstoffkomponente der Vulkanaerosole hinweisen. Der errechnete Teilchenradius war ebenfalls in beiden Jahren vergleichbar mit Werten zwischen 0.16 und 0.19 μm. 2009 wurde zusätzlich ein zweites Maximum der Größenverteilung bei ca. 0.5μm gefunden. Die Langzeitmessungen mit dem Koldewey Aerosol Raman LIDAR KARL in Ny-Ålesund schaffen die Möglichkeit, arktische Aerosole in Troposphäre und Stratosphäre nicht nur in Fallstudien, sondern auch über längere Zeiträume hinweg zu analysieren. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnten sowohl Aerosolvorkommen in der arktischen Troposphäre im Frühjahr als auch eine vulkanisch bedingte erhöhte Aerosolbelastung in der Stratosphäre qualitativ und quantitativ beschrieben werden. Fallstudien und die Kombination mit Daten anderer Messgeräte ermöglichten Analysen mikrophysikalischer Aerosolparameter und deren Entwicklungsprozesse. KW - Arktis KW - Lidar KW - Aerosole KW - Fernerkundung KW - Arctic KW - Lidar KW - Aerosols KW - Remote Sensing Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52426 ER -