Determination of arctic land surface and soil properties with synthetic aperture radar information from satellites

• Main Author: Widhalm, Barbara
• Other Authors: Bartsch, Annett, TU Wien, Österreich
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: Wien 2020
• Subjects: microwave remote sensing; climate change; Arctic; Yamal Peninsula; Active layer thickness; Arktis*; Climate change; permafrost
• Online Access: https://doi.org/10.34726/hss.2018.28126; https://hdl.handle.net/20.500.12708/7057

Permafrost ist eine essentielle Klimavariable, die durch zukünftige Erderwärmung gefährdet ist. Noch in diesem Jahrhundert wird ein erheblicher Permafrostrückgang erwartet. Kohlenstoff, welcher zurzeit im Permafrost gespeichert ist, wird voraussichtlich freigesetzt werden, mit negativen Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf. Daher ist Permafrostmonitoring von groer Bedeutung. Da von Permafrost betroffene Regionen oft eine groe Ausdehnung haben und zusätzlich schwer zugänglich sind, stellt dies eine besondere Herausforderung dar. In diesem Zusammenhang besitzt Fernerkundung durch die Möglichkeit der kontinuierlichen Erfassung ein groes Potential. Da Permafrost eine Erscheinungsform des Untergrundes ist kann er nicht direkt mittels Satellitendaten erfasst werden. Jedoch lässt sich sein Zustand indirekt ableiten und Auswirkungen verursacht durch Permafrostrückgang können beobachtet werden. Diese Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten von Synthetic Aperture Radar (SAR) Rückstreuung für circumpolares Monitoring. Es werden die Beziehungen zwischen SAR Rückstreuung und arktischer Landbedeckung als auch Bodeneigenschaften untersucht. Hierfür werden SAR Daten unterschiedlicher räumlicher Auflösung und Wellenlänge, als auch in situ Daten von Feldkampagnen herangezogen. In der ersten Arbeit werden die Einflüsse von Vegetationsarten verschiedener Feuchtigkeitsregime auf C-Band Sommerund Winterrückstreueigenschaften untersucht um eine circumpolare Feuchtigkeitskarte abzuleiten. Diese Methode wird schlielich auch lokal und mit mittlerer Auflösung angewendet. Weiters werden Bodeneigenschaften in einer zweiten Arbeit analysiert. Hierfür werden die Zusammenhänge zwischen arktischer Vegetation, Bodenfeuchte und Auftautiefe begutachtet und mit X-Band Rückstreuung in Zusammenhang gebracht um für das Untersuchungsgebiet auf der Yamal-Halbinsel eine kontinuierliche Auftautiefenkarte abzuleiten. In einer dritten Arbeit wird eine vereinfachte Normalisierungsmethode vorgestellt. Hierfür werden landbedeckungsspezifische Einfallswinkelabhängigkeiten für arktische Regionen untersucht. Permafrost is an essential climate variable and prone to change with future warming. Extensive permafrost degradation is likely to occur within this century. Currently stored carbon will potentially be mobilized effecting the global carbon cycle. Furthermore permafrost degradation will cause impacts on infrastructure and ecosystems. Permafrost monitoring is therefore essential and often challenging due to the fact that Arctic regions affected by permafrost are vast and often remote. Therefore Remote Sensing holds great potential due to continuous coverage. As permafrost is a subsurface phenomenon it cannot be measured directly via satellite data. However its state can be indirectly derived and degradation impacts can be observed. This thesis focuses on the possibilities of synthetic aperture radar (SAR) for circumpolar monitoring. Relationships between SAR backscatter and Arctic land cover as well as soil properties are explored, incorporating SAR data of different spatial scales and wavelengths as well as in situ data gathered during field campaigns. In a first publication the influence of vegetation types of certain wetness regimes on C-band summer and winter backscatter is investigated in order to derive a circumpolar wetness map and subsequently to apply at site scale and medium resolution. Soil properties are further explored within a second paper, where the interrelations of arctic vegetation, soil moisture and active layer thickness are analyzed and connected to X-band backscatter as to delineate a continuous active layer map for a study site on the central Yamal Peninsula. Within a third paper a simplified normalization approach is introduced by investigating land cover specific incidence angle dependencies for arctic regions. 128