New perspectives on climate, Earth surface processes and thermal hydrological conditions in high latitude systems

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9470-5
Title: New perspectives on climate, Earth surface processes and thermal hydrological conditions in high latitude systems
Author: Aalto, Juha
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Finnish Meteorological Institute
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Climate, Earth surface processes and soil thermal hydrological conditions drive landscape development, ecosystem functioning and human activities in high latitude regions. These systems are at the focal point of concurrent global change studies as the ongoing shifts in climate regimes has already changed the dynamics of fragile and highly specialized environments across pan Arctic. This thesis aimed to 1) analyze and model extreme air temperatures, soil thermal and hydrological conditions, and the main Earth surface processes (ESP) (cryoturbation, solifluction, nivation and palsa mires) controlling the functioning of high latitude systems in current and future climate conditions; 2) identify the key environmental factors driving the spatial variation of the studied phenomena; and 3) develop methodology for producing novel high quality datasets. To accomplish these objectives, spatial analyses were conducted throughout geographical scales by utilizing multiple statistical modelling approaches, such as regression, machine learning techniques and ensemble forecasting. This thesis was based on unique datasets from the northern Fennoscandia; climate station records from Finland, Sweden and Norway, state of the art climate model simulations, fine scale field measurements collected in arctic alpine tundra and remotely sensed geospatial data. In paper I, accurate extreme air temperature maps were produced, which were notably improved after incorporating the influence of local factors such as topography and water bodies into the spatial models. In paper II, the results showed extreme variation in soil temperature and moisture over very short distances, while revealing the factors controlling the heterogeneity of ground thermal and hydrological conditions. Finally, the modelling outputs in papers III and IV provided new insights into the determination of geomorphic activity patterns across arctic alpine landscapes, while stressing the need for accurate climate data for predictive geomorphological distribution mapping. Importantly, Earth surface processes were found to be extremely climatic sensitivity, and drastic changes in geomorphic systems towards the end of 21st century can be expected. The increase of current temperature conditions by 2 ˚C was projected to cause a near complete loss of active ESPs in the high latitude study area. This thesis demonstrated the applicability of spatial modelling techniques as a useful framework in multiple key challenges of contemporary physical geography. Moreover, with the utilized model ensemble approach, the modelling uncertainty can be reduced while presenting the local trends in response variables more robustly. In future Earth system studies, it is essential to further assess the dynamics of arctic alpine landscapes under changing climatic conditions and identify potential tipping points of these sensitive systems.Ilmasto, maanpinnan prosessit sekä kosteus- että lämpötilaolot säätelevät maiseman kehitystä, ekosysteemien dynamiikkaa ja ihmistoimintaa korkeiden leveysasteiden alueilla. Nämä luonnonjärjestelmät ovat nykyaikaisen globaalimuutostutkimuksen keskiössä, sillä muuttuvien ilmasto-olojen on osoitettu vaikuttavan näiden herkkien ja pitkälle erikoistuneiden ympäristöjen toimintaan. Tämän väitöstyön tavoitteena oli 1) analysoida ja mallintaa ilman lämpötilojen äärioloja, maaperän lämpö- ja kosteusoloja sekä useita maanpinnan prosesseja (routakuohunta, rinneprosessit, lumenviipymäalueet ja palsasuot) sekä nykyisissä että tulevaisuuden ilmasto oloissa; 2) tunnistaa näiden ilmiöiden alueellista vaihtelua voimakkaimmin säätelevät ympäristötekijät; ja 3) kehittää menetelmiä, joilla on mahdollista tuottaa korkealaatuisia alueellisia aineistoja. Alueellisia analyysejä tehtiin läpi maantieteellisten mittakaavojen hyödyntäen tilastollisia mallinnusmenetelmiä, kuten regressio- ja koneoppimistekniikoita sekä parviennustamista. Tässä väitöstyössä hyödynnettiin monipuolisesti laajoja aineistoja pohjoisen Fennoskandian alueelta; ilmastoaineistoja Suomesta, Ruotsista ja Norjasta, moderneja ilmastomallisimulaatioita, paikallistason havaintoaineistoa arktis-alpiiniselta tundralta sekä kaukokartoitukseen perustuvia paikkatietoaineistoja. Ensimmäisessä osatyössä tuotettiin alueellisesti tarkkoja äärilämpötilakarttoja, jotka paranivat merkittävästi, kun paikallistekijöiden, kuten korkeussuhteiden ja vesistöjen vaikutus lisättiin malleihin. Toisessa osatyössä osoitettiin maaperän lämpö- ja kosteusolojen äärimmäinen pienipiirteinen alueellinen vaihtelu sekä tunnistettiin sitä sääteleviä ympäristötekijöitä. Kaksi viimeistä osatyötä toivat uusia näkökulmia geomorfologisen aktiivisuuden esiintymiseen arktis-alpiinisessa ympäristössä sekä korostivat tarkkojen ilmastoaineistojen merkitystä ennustavassa geomorfologisessa mallintamisessa. Huomionarvoista on, että useiden maanpinnan prosessien havaittiin olevan erittäin ilmastoherkkiä; vuosituhannen loppuun mennessä geomorfologisissa järjestelmissä voidaan odottaa tapahtuvan suuria muutoksia. Nykyisten lämpötilaolojen nousun kahdella asteella ennustettiin hävittävän lähes täysin aktiiviset maanpinnan prosessit tutkimusalueeltamme. Tämä väitöstyö on osoittanut, että alueellisen mallintamisen menetelmät ovat erittäin soveltuvia useisiin luonnonmaantieteen tutkimuskysymyksiin. Lisäksi työssä käytetyillä parviennustamismenetelmillä on mahdollista pienentää mallinnukseen liittyvää epävarmuutta ja esittää vastemuuttujien paikallinen vaihteluluotettavasti. Tulevaisuudessa on tärkeää edelleen arvioida arktis-alpiinisten alueiden toimintaa muuttuvissa ilmasto-olosuhteissa sekä tunnistaa näihin herkkien ympäristöjärjestelmien toimintaan eniten vaikuttavia tekijöitä.
URI: URN:ISBN:978-952-10-9470-5
http://hdl.handle.net/10138/152694
Date: 2015-01-23
Subject: maantiede / Luonnonmaantiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
newpersp.pdf 9.145Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record