The extent of Arctic sea ice has decreased over the years and the importance of sea ice monitoring is expected to increase. Remote sensing change detection compares images acquired over the same geographic area at different times in order to identify changes that might have occurred in the area of interest. Change detection methods have been developed for cryospheric topics. The Kittler-Illingworth thresholding algorithm has proven to be an effective change detection tool, but has not been used for sea ice. Here it is applied to Arctic sea ice data. The objective is to investigate the unsupervised detection of changes in Arctic sea ice using multi-temporal SAR images. The well-known Kittler-Illingworth algorithm is tested using two density function models, i.e., the generalized Gaussian and the log-normal model. The difference image is obtained using the modified ratio operator. The histogram of the change image, which approximates its probability distribution, is considered to be a combination of two classes, i.e., the changed and unchanged classes. Histogram fitting techniques are used to estimate the unknown density functions and the prior probabilities. The optimum threshold is selected using a criterion function directly related to classification error. In this thesis three datasets were used covering parts of the Beaufort Sea from the years 1992, 2002, 2007 and 2009. The SAR and ASAR C-band data came from satellites ERS and ENVISAT respectively. All three were interpreted visually. For all three datasets, the generalized Gaussian detected a lot of change, whereas the log-normal detected less. Only one small subset of a dataset was validated against reference data. The log-normal distribution then obtained 0% false alarm rate through all trials. The generalized Gaussian obtained false alarm rates around 4% for most of the trials. The generalized Gaussian achieved detection accuracies around 95%, whereas the log-normal achieved detection accuracies around 70%. The overall accuracies for the generalized Gaussian were about 95% in most trials. The log-normal achieved overall accuracies at around 85%. The KHAT for the generalized Gaussian was in the range of 0.66-0.93. The KHAT for log-normal was in the range of 0.68-0.77. Using one additional speckle filter iteration increased the accuracy for the log-normal distribution. Generally, the detection of positive change has been accomplished with higher level of accuracy compared with negative change detection. A visual inspection shows that the generalized Gaussian distribution probably over-estimates the change. The log-normal distribution consistently detects less change than the generalized Gaussian. Lack of validation data made validation of the results difficult. The performed validation might not be reliable since the available validation data was only SAR imagery and differentiating change and no-change is difficult in the area. Further due to the lack of reference data it could not be decided, with certainty, which distribution performed the best. / Ytan av arktisk havsis har minskat genom åren och vikten av havsisövervakning förväntas öka. Förändrigsdetection jämför bilder från samma geografiska område från olika tidpunkter föra att identifiera förändringar som kan ha skett i intresseområdet. Förändringsdekteringsmetoder har utvecklats för kryosfäriska ämnen. Tröskelvärdesbestämning med Kittler-Illingworth algoritmen har visats sig vara ett effektivt verktyg för förändringsdetektion, men har inte änvänts på havsis. Här appliceras algoritmen på arktisk havsis. Målet är att undersökra oövervakad förändringsdetektion i arktisk havsis med multitemporella SAR bilder. Den välkända Kittler-Illingworth algoritmen testas med två täthetsfunktioner, nämligen generaliserad normaldistribution och log-normal distributionen. Differensbilden erhålls genom den modifierad ratio-operator. Histogrammet från förändringsbilden skattar dess täthetsfunktion, vilken anses vara en kombination av två klasser, förändring- och ickeförändringsklasser. Histogrampassningstekniker används för att uppskatta de okända täthetsfunktionerna och a priori sannolikheterna. Det optimala tröskelvärdet väljs genom en kriterionfunktion som är direkt relaterad till klassifikationsfel. I detta examensarbete användes tre dataset som täcker delar av Beaufort-havet från åren 1992, 2002, 2007 och 2009. SAR C-band data kom från satelliten ERS och ASAR C-band data kom från satelliten ENVISAT. Alla tre tolkades visuellt och för alla tre detekterade generaliserad normaldistribution mycket mer förändring än lognormal distributionen. Bara en mindre del av ett dataset validerades mot referensdata. Lognormal distributionen erhöll då 0% falska alarm i alla försök. Generalised normaldistributionen erhöll runt 4% falska alarm i de flesta försöken. Generaliserad normaldistributionen nådde detekteringsnoggrannhet runt 95% medan lognormal distributionen nådde runt 70%. Generell noggrannheten för generaliserad normaldistributionen var runt 95% i flesta försöken. För lognormal distributionen nåddes en generell noggrannhet runt 85%. KHAT koefficienten för generaliserad normaldistributionen var i intervallet 0.66-0.93. För lognormal distributionen var den i intervallet 0.68-0.77. Med en extra speckle-filtrering ökades nogranneheten för lognormal distributionen. Generellt sett, detekterades positiv förändring med högre nivå av noggrannhet än negativ förändring. Visuell inspektion visar att generaliserad normaldistribution troligen överskattar förändringen. Lognormal distributionen detekterar konsistent mindre förändring än generaliserad normaldistributionen. Bristen på referensdata gjorde valideringen av resultaten svårt. Den utförda valideringen är kanske inte så trovärdig, eftersom den tillgänliga referensdatan var bara SAR bilder och att särskilja förändring och ickeförändring är svårt i området. Vidare, på grund av bristen på referensdata, kunde det inte bestämmas med säkerhet vilken distribution som var bäst.

For the first time, vertical water vapour profiles were measured in the Central Arctic North of 85°N during the MOSAiC campaign (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Continuous measurements of the Raman lidar PollyXT are used to retrieve high-resolved vertical profiles of the water vapour mixing ratio (WVMR) during the polar night. The collected data are calibrated and evaluated by use of selected clear-sky profiles between 25 October 2019 and 29 February 2020. Three different calibration methods are applied using reference data from radiosonde launches or microwave radiometer (MWR) measurements, respectively. The calibration with the least error results from a linear fit between collocated radiosonde and lidar measurements and delivers a final calibration constant of 15.96 ± 0.37 g/kg for the period from 25 Oct 2019 to 29 Feb 2020. The calibrated WVMR profiles are analysed regarding the vertical distribution of water vapour in the Arctic, its impact on the downward thermal-infrared radiation (DTIR) at the surface, and its relation to the Arctic Oscillation (AO) index as a measure for the general atmospheric circulation. The Arctic atmosphere is very dry during the winter time with WVMR values below 2 g/kg. The vertical water vapour distribution is strongly related to the temperature profile. Layers with higher WVMR values are often capped by temperature inversions. Layers with higher integrated water vapour values (IWV) are located either close to the surface (coupled) or in an elevated layer (decoupled), related to local or advective processes, respectively. The impact of the vertical distributed water vapour on the clear-sky DTIR at the surface was investigated by evaluating the evolution of the air mass at the measurement location over several hours for seven clear-sky cases. The relation between the measured DTIR at the surface and the lidar IWV shows a linear correlation for each case, but with a shift in the radiation values depending on the temperature of the vertical distributed water vapour. The impact of the IWV on the DTIR is determined to be 9.33 − 15.03 W/kg from the example cases. Beside, a linear correlation is found between the temperature of the vertical distributed water vapour and the radiation temperature of the sky, which is derived from the Stefan-Boltzmann’s Law. Both results depict the high impact of the atmospheric water vapour profile on the surface energy budget during clear-sky winter conditions. The influence of the atmospheric circulation on the vertical water vapour distribution in the Arctic is investigated by use of the AO index. While very stable conditions with a weak exchange with lower latitudes are expected during the positive phase of the AO, a stronger meridional transport is related to the negative phase of the AO. The evaluation of 71 randomly selected clear-sky profiles shows differences in the amount and the vertical structure of each WVMR profile between the two phases. Higher WVMR values and layers with higher IWV are observed during the negative AO phase. Nonetheless, a high variability between dry and humid cases is seen during all phases of the AO due to synoptic events. Two main sources for water vapour in the Eastern Central Arctic are identified independent of the AO. These are cyclones on the one hand and the occurrence of a main wind direction from the seas north of Siberia namely Laptev, Kara and Barents Sea on the other hand. In summary, the thesis discusses different calibration methods for the derivation of WVMR profiles from Raman lidar measurements in its first part. In the second part, the thesis gives an overview over the vertical water vapour distribution in the Central Arctic winter and its complex relation to temperature profiles, radiation measurements at the surface and the atmospheric circulation.

This is a master thesis by Maria Ader and David Axelsson, students at the Master of Science in Engineering degree program in Design and Product Realization at KTH, within the master program Integrated Product Design. The thesis work will benefit ÅF and the EU project ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ. The ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ project is part of the EU’s effort to forward climate research, and aims to “coordinate and harmonize research and monitoring efforts that will greatly contribute to our knowledge and understanding of changes occurring in the arctic environment.” One out of 12 subprojects within ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ aims to “increase awareness of drone technology and sensors among researchers and research station managers while making industry aware of innovative potential uses requiring drone and sensor development.” A drone is an unmanned aerial system/vehicle (UAS/UAV), i.e. an airborne vehicle without a human pilot aboard. This master thesis examines the need of drones at the ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ research stations and how arctic climates affect drone technology and the ergonomics of piloting a drone. The thesis also provides an overview of the current state of the drone market and the laws and regulations that affect the use of drones. A survey was distributed within ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ to map the researchers’ need of, and attitudes towards, drones, followed by exhaustive interviews with researchers and other key figures. Field testing at Tarfala Research Station provided complementing data. The primary insight from the study was that the researchers’ need, as well as the tasks and methods that they employ, vary greatly. Another insight was that many researchers want to use drones primarily as a sensor platform to collect data from large areas in a short time span. A situation-based drone recommendation and a concept proposal for a simple water sampling solution were made based on the results of the study / Detta är ett examensarbete utfört av Maria Ader och David Axelsson, studenter på civilingenjörsprogrammet Design och Produktframtagning på KTH, med masterinriktning Teknisk Design. Arbetet är utfört åt ÅF i syfte att bidra till EU-projektet ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ. Iɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ är EU:s satsning på klimatforskning i Arktis och syftar till att “koordinera och harmonisera forskning och miljöbevakning som bidrar till vår kunskap och förståelse av förändringar som sker i de arktiska miljöerna.” Ett av tolv delprojekt inom ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ-projektet syftar till att öka medvetenheten om drönarteknologi och sensorer bland forskare och föreståndare på forskningsstationerna inom ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ, samt att göra drönarindustrin medveten om nya potentiella användningsområden. En drönare är ett obemannat luftfartyg, d.v.s. en flygfarkost utan pilot ombord. Drönare benämns ibland som “UAS” och “UAV”. I den här rapporten används främst den engelska termen “drones”. Detta examensarbete undersöker behovet av drönare på de forskningsstationer som är delaktiga i ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ och hur det arktiska klimatet påverkar drönartekniken och ergonomin. Arbetet kartlägger även drönarmarknaden och de lagar och regler som påverkar användandet av drönare. En utförlig studie genomfördes, där forskarnas behov av drönare undersöktes. En enkät skickades ut inom ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ och utförliga intervjuer genomfördes med forskare och andra nyckelpersoner. Ett studiebesök på Tarfala forskningsstation kompletterade med fältdata. Den främsta insikten från studien var att behov, arbetsuppgifter och metoder varierar mycket mellan de olika forskarna. En annan insikt var att många ville använda drönare som sensorbärare, och på så sätt insamla data från stora områden på kort tid. Resultatet från studien låg till grund för en situationsbaserad drönarrekommendation samt ett konceptförslag för en enkel vattenprovtagningslösning.

The urgent ongoing contemporary climate change is drastically changing the Earth as we know it. In the Arctic, the climate is changing more drastically than the global average, and temperatures are rising significantly more. The phenomenon, known as Arctic amplification, is believed to happen by a combination of albedo reduction, cloud-feedback, and temperature inversion. Another important, but often overlooked, factor in Arctic climate change is dust. Dust does not only cause albedo reduction but has also been found to host syngenetic permafrost in Adventdalen, Svalbard. As permafrost is both a sensitive and important carbon reserve, holding twice as much carbon as currently available in the atmosphere, it is of great importance to understand the carbon storage mechanism of it. This study shows not only a correlation between cryostructures and organic carbon content but presents aeolian sedimentation rate as a possible cause of it. The results show that for syngenetic permafrost in Adventdalen, a high sedimentation rate yields structureless permafrost with low organic content. Inversely, a low sedimentation rate yields well defined cryostructures with high organic content. This shows that aeolian dust activity and loess deposits are vital to understand, in order to properly assess the cryostratigraphy and carbon content. / Den brådskande samtida klimatförändringen omarbetar dramatiskt vår värld. Arktis klimat förändras mer drastiskt än på resten av jorden och temperaturen stiger avsevärt snabbare. Fenomenet kallas förArktis förstärkning, eller Arctic Amplification, och antas ske på grund av synergier mellan minskning av albedo, molnfeedback och temperaturinversion. Damm är en annan viktig, men ofta underskattad faktor i klimatförändrarna i Arktis. Damm bidrar inte bara till en ökad reduktion av albedo utan dammavlagringar i Adventdalen Svalbard fungerar som en viktig grogrund för syngenetisk permafrost. Kolsänkan i permafrost är lika skör som den är viktig, då permafrost förvarar dubbelt så mycket kol som för nuvarande finns i atmosfären, men samtidigt stadigt tinar. Därför är det ytterst viktigt att förstå hur permafrost fungerar, själva mekanismerna bakom förvarandet av organisk kol. Detta arbete visar inte bara ett samband mellan kryostrukturer och organiskt kol i permafrost, utan föreslår att sedimentationshastighet är orsaken till det. Resultaten av LOI (loss on ignition) och kryostratigrafi tyder på att en hög sedimentationshastighet skapar en strukturlös permafrost som endast har låga halter av organisk materia. I det omvända fallet ger en låg sedimentationshastighet välformade kryostrukturer, och en permafrost med hög andel organisk materia. Detta visar på att sedimentationshastighet i loess är en viktig aspekt för att bedöma lagring av kol i permafrost, vilket är en avsevärd kolsänka att förstå i dagens klimatförändringar.

Thesis (Ph. D.)--Utrecht University, 2002. / Includes bibliographical references (p. 163-170).