Permafrost landscapes in transformation - from local-scale processes to the global model NorESM

I arktiske og sub-arktiske strøk finnes det enorme områder som er dominert av permafrost. Denne frosne jorda fungerer som en gigantisk fryser som bevarer store menger organisk materiale fra nedbrytning. Allerede nå ser vi at permafrosten tiner i mange områder, og klimaendringer vil sannsynligvis fortsette å gjøre permafrost-fryseren svakere i framtiden. Som en konsekvens av dette kan nedbrytning av organisk materiale slippe ut karbondioksid og metan i atmosfæren, som igjen kan akselerere klimaendringene i en prosess som kalles permafrost-karbon tilbakekoblingen. I Permanor prosjektet har vi undersøkt permafrostlandskap som har mye is i bakken, hvor tining kan skje mye raskere enn i permafrost med mindre is. Her kan nemlig smelting av islag i bakken føre til raske endringer på overflaten, som kan føre til for eksempel nedsynkning, erosjon langs sidene eller at det dannes små dammer eller innsjøer. Noen av de mest karbon-rike områdene med permafrost er også områder med ekstremt mye is i bakken, som for eksempel Jedoma-permafrosten fra pleistocen-perioden som vi finner i Sibir og Alaska, eller sub-arktiske torvområder med permafrost som finnes i stor utstrekning i Canada, Russland og Skandinavia. Med feltområder i både kald permafrost i Sibir og varm permafrost i Norge har Permanor fokusert på å få en enhetlig forståelse av tiningsprosesser, så man kan forstå permafrost-karbon tilbakekoblingen på en global skala. I Permanor har vi gjort betydelig framskritt mot å forbedre jordsystemmodeller og andre permafrostmodeller. Gjennom en rekke vitenskapelige artikler har vi introdusert konseptet «lateralt koblede enheter» (engelsk: «laterally coupled tiles»), som for første gang gjorde det mulig å simulere hvordan mikrotopografi i permafrostområder utvikler seg over tid som et resultat av klimaendringer. Tradisjonelt blir denne typen modellenheter («tiles») brukt i jordsystemmodeller til å representere ulike landdekke typer innen en storskala modell-gridboks, som innsjøer, skog og dyrkbar mark. Disse utvikler seg imidlertid uavhengig av hverandre i modellen, slik at for eksempel avrenning fra en «tile» ikke påvirker jordfuktigheten i en annen. Koblede «tiles» kan derimot utveksle varme, vann og snø lateralt, slik at avrenning fra for eksempel en «tile» som representer et høytliggende område kan føre til økt jordfuktighet i nærliggende lavlandsområder. Som demonstrert i publikasjoner av Permanord-forskerne Kjetil Schanke Aas, Jan Nitzbon og Léo Lartin er «lateralt koblede enheter» et universalt konsept som kan bli implementert i forskjellige modellverktøy, og som kan reprodusere observert permafrosttining i både Sibir og Skandinavia. Spesielt Jan Nitzbon har kunnet vise at selv ekstremt kalde områder i Nord-Sibir vil kunne oppleve tining i det 21. århundret hvis effekten av is-rik permafrost tas hensyn til. Lignende forbedringer av modeller ble demonstrert for torvlandskap med permafrost i nordlige Skandinavia, basert på utmerkede data fra feltkampanjer i Finnmark som en del av Permanor prosjektet. Også her viste koblede «tilse» seg å være svært nyttig, ettersom metoden for første gang gjordet det mulig å simulere under hvilke forhold permafrosten i torvområdene er stabile, og hvilke prosesser som gjøre at de tiner. Et siste studie er underveis, som ved hjelp av lateralt koblede enheter undersøker fremtidige utslipp av klimagasser fra is-rik permafrost. På formidlingssiden har vi besøkt lokale videregående skoler i Nord-Norge for å fortelle elever om vårt vitenskapelige arbeid i deres områder, og hvordan det faller inn i det globale bildet av effekter av klimaendringene. Med besøk i Karasjok, Kautokeino, Alta og Lakselv fikk flere hundre elever informasjon om prosjektet. Den positive responsen fra elevene, som vil være framtidens «permafrost interessenter» i deres egne kommuner, er en sterk motivasjon til å fortsette denne formen for utadrettet formidling i årene som kommer.

-Multi-year field studies in permafrost peatlands in Northern Norway (Finnmark) have delivered data sets for model validation. The new research sites have attracted the interest of a wide scientific community. -Students at high-schools in the vicinity of the research sites have learned about permafrost, climate change and the PERMANOR activities. -A statistical approach (referred to as "laterally coupled tiling") that can represent rapid permafrost thaw processes (so-called thermokarst) has been developed. -Laterally coupled tiling has been implemented in several land surface models. The same model set-up can reproduce rapid permafrost thaw in regions with very different climates. -When including rapid thaw in models, even today's very cold permafrost in Siberia can thaw in case of a high emission scenario (RCP8.5). -There is emerging evidence that projections of future greenhouse gas emissions from thawing permafrost must be revised when rapid thaw processes are considered.

Permafrost is a highly dynamic element of the Cryosphere that is intimately meshed with the global climate system through complex interactions. A massive release of greenhouse gases from thawing organic-rich permafrost could constitute a significant additional warming potential, so that capturing permafrost thaw is among the key priorities for reducing uncertainty in future projections in Earth System Models (ESMs). PERMANOR will for the first time systematically investigate the representation of permafrost in the Norwegian Earth System Model NorESM by bringing together expertise in observations, process based modeling, model downscaling, and ESM development. PERMANOR will bring the highly dynamic evolution of permafrost landscapes in the focus of ESM development. Many observed forms of permafrost thaw, e.g. the development of thermokarst ponds or the disintegrations of subarctic peat plateaus, cannot be explained without lateral transport of energy, water and snow on spatial scales that are several orders of magnitude smaller than a typical ESM grid cell. To reconcile these different scales, the project will pioneer a two-stage concept by aiming for a statistical representation of small-scale processes, while WRF (Weather Research and Forecasting) modeling will facilitate upscaling of parameterizations to ESM scale. A strong focus will be laid on conceptualizing interactions between microtopography, ground ice content and snow depth, with the goal of developing a statistical representation of permafrost landscape evolution. As a spin-off, climate projections will be downscaled to 1km for key regions in N Scandinavia, Svalbard, and Siberia. Ultimately, PERMANOR will conceptualize process understanding from in-situ studies to develop new model algorithms and pursue their implementation in a coupled ESM framework. The improved representation of permafrost landscape dynamics in ESM will lead to reducing our uncertainty in the predictability of future climate change.