Heidelberg, University, Diss., 2001.

Zugl.: Hamburg, Universiẗat, Diss., 2007.

Verdedigd als Dissertation (Ph. D.)--Universität Zürich. / Rugtitel: Regional climate models and mountain Permafrost.

Diss. Univ. Zürich, 2007. / Literaturverz.

Zugl.: Regensburg, Universiẗat, Diss., 2006.

University, Diss., 2004--Zürich.

In the central Alps permafrost can be expected above 2300 m a.s.l., at altitudes where mean annual air temperatures are below -1 °C. Isolated permafrost occurrences can be detected in north-exposed talus slopes, far below the timberline, where mean annual air temperatures are positive. Driving factors are assumed to be a low income of solar radiation, a thick organic layer with high insulation capacities as well as the thermally induced chimney effect. Aim of this study is to achieve a deeper understanding of the factors determining the site-specific thermal regime, as well as the spatially limited and temporally highly variable permafrost occurrences in vegetated talus slopes. Three supercooled talus slopes in the Swiss Alps were chosen for investigation. Substantially different characteristics were a central criterion in the selection of study sites. Located in the Upper Engadin, climatic conditions, altitude as well as dimensions of the talus slopes are comparable for the study sites Val Bever and Val Susauna; major differences are rooted in the nature of talus substrate and in humus- and vegetation distribution. Characteristics of the Brüeltobel site, located in the Appenzeller Alps, diverge with regard to climatic conditions, altitude and dimensions of the talus slope; humus- and vegetation compositions are comparable to the Val Susauna site. Confirmation and characterisation of ground ice is accomplished by the application of electrical resistivity and seismic refraction tomography. The estimation of the spatial permafrost distribution is based on quasi-3D resistivity imaging. For the confirmation of permafrost and the analysis of its temporal variability electrical resistivity monitoring arrays were constructed and installed at all study sites, to allow year-round measurements. In addition to resistivity monitoring, the – up to now – first seismic refraction tomography winter monitoring was conducted at the Val Susauna to analyse the permafrost evolution during the winter half-year. Investigations of the ground thermal regime were based on the analysis of temperature logger data. Besides recording air- and ground surface temperatures, focus was set on the temperature evolution in vents and in the organic layer. To analyse the relationship between permafrost distribution on the one hand and humus- and vegetation distribution on the other hand, an extensive mapping of humus characteristics and vegetation composition was conducted at Val Susauna. The existence of permafrost could be proven at all study sites. Spatially, permafrost bodies show a narrow transition to neighbouring, unfrozen areas. As observed at Val Susauna, the permafrost distribution strongly correlates with areas with exceptionally thick organic layer, high percentages of mosses and lichens in the undergrowth and dwarf grown trees. The temporal variability of permafrost has proven to be exceptionally high, with the magnitude of seasonal variations distinctly exceeding intra-annual changes. Thereby, the winter season is characterised by a significant supercooling. During snowmelt a growth in volumetric ice content is induced by refreezing of percolating meltwater on the supercooled talus. The results confirmed the fundamental influence of the chimney effect on the existence and temporal variability of permafrost in talus slopes. Divergences in the effectiveness of the thermal regime were detected between the study sites. These are based on differences in the nature of talus material, humus characteristics and vegetation composition. During summer, the organic material is usually dry at the daytime, inducing a high insulation capability and a protection of the subsurface against high atmospheric temperatures. Bouldery talus slopes typically show an organic layer that is fragmented by large boulders, which induces a strongly reduced insulation capability and allows an efficient heat exchange by convective airflow and percolating precipitation water. In the winter half-year, the thermal conductivity of the organic layer increases massively under moist or frozen conditions, allowing an efficient, conductive cooling of the talus material. The convective cooling in bouldery talus slopes affects an earlier onset and a higher magnitude of supercooling than under consistent humus conditions. Here, conductive heat flow is dominant and the cooling in autumn is buffered by a prolonged zero curtain. The snow cover has proven to be incapable of prohibiting an efficient supercooling of the talus slope in winter, almost independent from thickness. / In den zentralen Alpen kann oberhalb einer Höhe von 2300 m ü NN, bei mittleren Jährlichen Lufttemperaturen von weniger als -1 °C mit Permafrost gerechnet werden. Isolierte Permafrostvorkommen können jedoch in nordexponierten Hangschutthalden bei positiven Jahresmitteltemperaturen bis weit unterhalb der Waldgrenze gefunden werden. Ziel dieser Arbeit ist es ein tieferes Verständnis des Faktorenkomplexes zu erreichen, der das standortspezifische, kleinräumige thermale Regime bedingt und damit die räumlich begrenzten, zeitlich hochvariablen Permafrostvorkommen in Hangschutthalden unterhalb der Waldgrenze steuert und ermöglicht. Drei unterkühlte Hangschutthalden in den Schweizer Alpen wurden zur Untersuchung ausgewählt. Bei der Auswahl wurde im Speziellen auf fundamentale Unterschiede der Standortfaktoren Wert gelegt. Im Unterengadin gelegen sind die klimatischen Bedingungen, Höhenlage sowie die Dimensionen der Hangschutthalden an den Standorten Val Bever und Val Susauna vergleichbar; Eigenschaften des Hangschuttes, Charakteristik der organischen Auflage sowie der Vegetation unterscheiden sich. Der in den Appenzeller Alpen gelegenen Standort Brüeltobel unterscheidet sich in Bezug auf die klimatischen Bedingungen, der Höhenlage und der Ausmaße der Hangschutthalde deutlich, zeigt jedoch eine zum Val Susauna ähnliche Humus- und Vegetationscharakteristik. Der Nachweis und die Charakterisierung von Untergrundeis basiert auf der Kombination von elektrischer Widerstandstomographie und seismischer Refraktionstomographie. Zur Detektion der räumlichen Verbreitung von Untergrundeis wurden diese Methoden durch quasi-3D Widerstandstomographie ergänzt. Zum Nachweis von Permafrost und zur Analyse seiner zeitlichen Variabilität wurden Monitoringauslagen konstruiert und an den Standorten fest installiert. Widerstandsmessungen wurden ganzjährig durchgeführt. In Ergänzung zu dem Widerstandsmonitoring wurde im Val Susauna erstmalig seismische Refraktionstomographie zum Monitoring der Permafrostentwicklung im Winter durchgeführt. Die Analyse des thermalen Regimes basiert auf der Analyse von Temperaturlogger Daten. Dabei wurden neben Luft- und Bodentemperaturen vor allem die Temperaturentwicklung in den Schloten sowie in der Humusauflage berücksichtigt. Zur Untersuchung des Zusammenhangs der Permafrostverbreitung mit der Humus- und Vegetationscharakteristik wurde im Val Susauna eine Kartierung der Humuseigenschaften sowie der Vegetationszusammensetzung durchgeführt. An allen untersuchten Standorten konnte Permafrost nachgewiesen werden. Räumlich sind die Permafrostkörper sehr scharf von benachbarten Hangbereichen abgegrenzt. Am Standort Val Susauna konnte ein hoher räumlicher Zusammenhang zwischen der Permafrostverbreitung und Bereichen mit besonders mächtiger Humusauflage, einem hohen Anteil an Moosen und Flechten im Unterwuchs sowie einem ausgeprägtem Zwergwuchs nachgewiesen werden. Die zeitliche Variabilität des Permafrost hat sich an allen Standorten als außergewöhnlich hoch herausgestellt. Dabei übersteigt die Magnitude der saisonalen Variabilität die mehrjährigen Veränderungen deutlich. Das Winterhalbjahr zeigt sich durch eine effiziente Unterkühlung geprägt. Die Schneeschmelze im Frühling steht in Verbindung mit einem deutlichen Eiszuwachs, der durch ein wiedergefrieren des versickernden Schmelzwassers an dem unterkühlten Hangschutt verursacht wird. Die Ergebnisse haben den fundamentalen Einfluss des Chimney Effekt auf die Existenz und zeitliche Variabilität von Permafrost in Hangschutthalden bestätigt. Unterschiede in der Wirkungsweise des thermalen Regimes konnten herausgestellt werden, die in erster Linie auf die unterschiedliche Ausprägung der Humusauflage, Charakteristik des Hangschutts, und die Vegetationszusammensetzung zurückzuführen sind. Während des Sommers ermöglicht die sehr geringe thermische Leitfähigkeit der im oberflächennahen Bereich meist recht trockenen organischen Auflage eine ausgeprägte Isolation des Untergrundes gegenüber hohen Außentemperaturen. Die in grobblockigen Hangschutthalden zu findende ungleichmäßige, von Blockmaterial fragmentierte organische Auflage zeigt eine deutlich geringere Isolationsfähigkeit und ermöglicht einen effektiven, Wärmeaustausch durch Konvektion und perkolierendes Niederschlagswasser. Im Winterhalbjahr steigt die thermische Leitfähigkeit des organischen Materials unter durchfeuchteten sowie gefrorenen Bedingungen massiv an und ermöglicht eine effiziente Auskühlung der Hangschutts. Die Unterkühlung in grobblockigen Hangschutthalden zeigt aufgrund des auch im Winter ausgeprägten konvektiven Wärmeflusses eine höhere Magnitude und ein früheres Einsetzen als bei homogenen Humusauflagen, wo konduktiver Wärmefluss dominiert und eine Auskühlung im Herbst durch eine ausgeprägte zero-curtain Periode gepuffert wird. Der Einfluss der Schneedecke auf das thermale Regime ist insgesamt gering; ihre Isolationsfähigkeit ist, annähernd unabhängig von der Schneemächtigkeit, stark reduziert.

Universiẗat, Diss., 2004--München.

Permafrost degradation is observed all over the world as a consequence of climate change and the associated Arctic amplification, which has severe implications for the environment. Landslides, increased rates of surface deformation, rising likelihood of infrastructure damage, amplified coastal erosion rates, and the potential turnover of permafrost from a carbon sink to a carbon source are thereby exemplary implications linked to the thawing of frozen ground material. In this context, satellite earth observation is a potent tool for the identification and continuous monitoring of relevant processes and features on a cheap, long-term, spatially explicit, and operational basis as well as up to a circumpolar scale. A total of 325 articles published in 30 different international journals during the past two decades were investigated on the basis of studied environmental foci, remote sensing platforms, sensor combinations, applied spatio-temporal resolutions, and study locations in an extensive review on past achievements, current trends, as well as future potentials and challenges of satellite earth observation for permafrost related analyses. The development of analysed environmental subjects, utilized sensors and platforms, and the number of annually published articles over time are addressed in detail. Studies linked to atmospheric features and processes, such as the release of greenhouse gas emissions, appear to be strongly under-represented. Investigations on the spatial distribution of study locations revealed distinct study clusters across the Arctic. At the same time, large sections of the continuous permafrost domain are only poorly covered and remain to be investigated in detail. A general trend towards increasing attention in satellite earth observation of permafrost and related processes and features was observed. The overall amount of published articles hereby more than doubled since the year 2015. New sources of satellite data, such as the Sentinel satellites and the Methane Remote Sensing LiDAR Mission (Merlin), as well as novel methodological approaches, such as data fusion and deep learning, will thereby likely improve our understanding of the thermal state and distribution of permafrost, and the effects of its degradation. Furthermore, cloud-based big data processing platforms (e.g. Google Earth Engine (GEE)) will further enable sophisticated and long-term analyses on increasingly larger scales and at high spatial resolutions. In this thesis, a specific focus was put on Arctic permafrost coasts, which feature increasing vulnerability to environmental parameters, such as the thawing of frozen ground, and are therefore associated with amplified erosion rates. In particular, a novel monitoring framework for quantifying Arctic coastal erosion rates within the permafrost domain at high spatial resolution and on a circum-Arctic scale is presented within this thesis. Challenging illumination conditions and frequent cloud cover restrict the applicability of optical satellite imagery in Arctic regions. In order to overcome these limitations, Synthetic Aperture RADAR (SAR) data derived from Sentinel-1 (S1), which is largely independent from sun illumination and weather conditions, was utilized. Annual SAR composites covering the months June–September were combined with a Deep Learning (DL) framework and a Change Vector Analysis (CVA) approach to generate both a high-quality and circum-Arctic coastline product as well as a coastal change product that highlights areas of erosion and build-up. Annual composites in the form of standard deviation (sd) and median backscatter were computed and used as inputs for both the DL framework and the CVA coastal change quantification. The final DL-based coastline product covered a total of 161,600 km of Arctic coastline and featured a median accuracy of ±6.3 m to the manually digitized reference data. Annual coastal change quantification between 2017–2021 indicated erosion rates of up to 67 m per year for some areas based on 400 m coastal segments. In total, 12.24% of the investigated coastline featured an average erosion rate of 3.8 m per year, which corresponds to 17.83 km2 of annually eroded land area. Multiple quality layers associated to both products, the generated DL-coastline and the coastal change rates, are provided on a pixel basis to further assess the accuracy and applicability of the proposed data, methods, and products. Lastly, the extracted circum-Arctic erosion rates were utilized as a basis in an experimental framework for estimating the amount of permafrost and carbon loss as a result of eroding permafrost coastlines. Information on permafrost fraction, Active Layer Thickness (ALT), soil carbon content, and surface elevation were thereby combined with the aforementioned erosion rates. While the proposed experimental framework provides a valuable outline for quantifying the volume loss of frozen ground and carbon release, extensive validation of the utilized environmental products and resulting volume loss numbers based on 200 m segments are necessary. Furthermore, data of higher spatial resolution and information of carbon content for deeper soil depths are required for more accurate estimates. / Als Folge des Klimawandels und der damit verbundenen „Arctic Amplification“ wird weltweit eine Degradation des Dauerfrostbodens (Permafrost) beobachtet, welche schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt hat. Erdrutsche, erhöhte Oberflächen- verformungsraten, eine zunehmende Wahrscheinlichkeit von Infrastrukturschäden, verstärkte Küstenerosionsraten und die potenzielle Umwandlung von Permafrost von einer Kohlenstoffsenke in eine Kohlenstoffquelle sind dabei beispielhafte Auswirkun- gen im Zusammenhang mit dem Auftauen von gefrorenem Bodenmaterial. In diesem Kontext ist die Satelliten-gestützte Erdbeobachtung ein wirkmächtiges Werkzeug zur Identifizierung und kontinuierlichen Überwachung relevanter Prozesse und Merkmale auf einer kostengünstigen, langfristigen, räumlich expliziten und operativen Basis und auf einem zirkumpolaren Maßstab. Insgesamt 325 Artikel, die in den letzten zwei Jahrzehnten in 30 verschiedenen internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden, wurden auf Basis der adressierten Umweltschwerpunkte, Fernerkundungsplattformen, Sensorkombinationen, angewand- ten raum-zeitlichen Auflösungen und den Studienorten in einem umfassenden Überblick über vergangene Errungenschaften und aktuelle Trends untersucht. Zusätzlich wur- den zukünftige Potenziale und Herausforderungen der Satelliten-Erdbeobachtung für Permafrost-bezogene Analysen diskutiert. Auf die zeitliche Entwicklung der un- tersuchten Umweltthemen, eingesetzten Sensoren und Satelliten-Plattformen sowie die Zahl der jährlich erscheinenden Artikel wurde detailliert eingegangen. Studien zu atmosphärischen Eigenschaften und Prozessen, wie etwa der Freisetzung von Treibhaus- gasemissionen, waren stark unterrepräsentiert. Deutliche geografische Schlüssel-Gebiete, auf welche sich der Großteil der Studien konzentrierte, konnten in Untersuchungen zur räumlichen Verteilung der Studienorte identifiziert werden. Gleichzeitig sind große Teile des kontinuierlichen Permafrost-Gebiets nur spärlich abgedeckt und müssen noch im Detail untersucht werden. Es wurde ein allgemeiner Trend zu einer zunehmenden Aufmerksamkeit bezüglich der Satelliten-gestützten Erdbeobachtung von Permafrost und verwandten Prozessen und Merkmalen beobachtet. Die Gesamtzahl der veröf- fentlichten Artikel hat sich dabei seit dem Jahr 2015 mehr als verdoppelt. Neue Quellen für Satellitendaten, wie beispielweise die Sentinel-Satelliten und die Methane Remote Sensing LiDAR Mission (Merlin), sowie neuartige methodische Ansätze, wie Datenfusion und Deep Learning, werden dabei voraussichtlich unser Verständnis bzgl. des thermischen Zustands und der Verteilung von Permafrost-Vorkommen sowie die Auswirkungen seines Auftauens verbessern. Darüber hinaus werden Cloud-basierte Big-Data-Verarbeitungsplattformen (z.B. Google Earth Engine (GEE)) anspruchsvolle und langfristige Analysen in immer größeren Maßstäben und mit hoher räumlicher Auflösung erleichtern. In dieser Arbeit wurde ein besonderer Fokus auf arktische Permafrost-Küsten gelegt, die eine zunehmende Vulnerabilität gegenüber Umweltparametern wie dem Auftauen von gefrorenem Boden aufweisen und daher von verstärkten Erosionsraten betroffen sind. Ein neuartiger Ansatz zur Quantifizierung der arktischen Küstene- rosion innerhalb des Permafrost-Gebiets mit hoher räumlicher Auflösung und auf zirkum-arktischem Maßstab wird in dieser Dissertation präsentiert. Schwierige Be- leuchtungsbedingungen und häufige Bewölkung schränken die Anwendbarkeit optischer Satellitenbilder in arktischen Regionen ein. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden Synthetic Aperture RADAR (SAR) Daten von Sentinel-1 (S1) verwendet, die weitgehend unabhängig von Sonneneinstrahlung und Wetterbedingungen sind. Jährli- che SAR-Komposite, welche die Monate Juni bis September abdecken, wurden mit einem Deep Learning (DL)-Ansatz und einer Change Vector Analysis (CVA)-Methode kombiniert, um sowohl ein qualitativ hochwertiges und zirkum-arktisches Küstenli- nienprodukt als auch ein Produkt für die Änderungsraten (Erosion und küstennahe Aggregation von Sedimenten) der Küste zu generieren. Jährliche Satelliten-Komposite in Form von der Standardabweichung (sd) und des Medians der SAR Rückstreuung wurden hierbei berechnet und als Eingabedaten sowohl für den DL-Ansatz als auch für die Quantifizierung der CVA-basierten Küstenänderung verwendet. Das endgül- tige DL-basierte Küstenlinienprodukt deckt insgesamt 161.600 km der arktischen Küstenlinie ab und wies eine Median-Abweichung von ±6,3 m gegenüber den ma- nuell digitalisierten Referenzdaten auf. Im Zuge der Quantifizierung von jährlichen Küstenveränderungen zwischen 2017 und 2021 konnten Erosionsraten von bis zu 67 m pro Jahr und basierend auf 400 m Küstenabschnitten identifiziert werden. Insgesamt wiesen 12,24% der untersuchten Küstenlinie eine durchschnittliche Erosionsrate von 3,8 m pro Jahr auf, was einer jährlichen erodierten Landfläche von 17,83 km2 entspricht. Mehrere Qualitäts-Datensätze, die beiden Produkten zugeordnet sind, wurden auf Pixelbasis bereitgestellt, um die Genauigkeit und Anwendbarkeit der präsentierten Daten, Methoden und Produkte weiter einordnen zu können. Darüber hinaus wurden die extrahierten zirkum-arktischen Erosionsraten als Grund- lage in einem experimentellen Ansatz verwendet, um die Menge an Permafrost-Verlust und Kohlenstofffreistzung als Konsequenz der erodierten Permafrost-Küsten abzu- schätzen. Dabei wurden Informationen zu Permafrost-Anteil, Active Layer Thickness (ALT), Höhenmodellen und der Menge an im Boden gespeichertem Kohlenstoff mit den oben genannten Erosionsraten kombiniert. Während der präsentierte experimentelle Ansatz einen wertvollen Ausgangspunkt für die Quantifizierung des Volumenverlusts von gefrorenem Boden und der Kohlenstofffreisetzung darstellt, ist eine umfassende Validierung der verwendeten Umweltprodukte und der resultierenden Volumenzah- len erforderlich. Zusätzlich werden für genauere Abschätzungen Daten mit höherer räumlicher Auflösung und Informationen zum Kohlenstoffgehalt für tiefere Bodentiefen benötigt.

Most of the periglacial environments of the Earth are experiencing enormous changes in the context of the current climate warming. These changes have strong impacts on both the thermal regime in the subsurface and on geomorphological processes taking place. In order to assess how periglacial regions will develop in the future, it is important to know the recent subsurface structures and to understand complex interactions between different surface and subsurface characteristics. Small-scale heterogeneities play an important role in this context, as they make large-scale predictions regarding future developments very difficult. In this study, these small-scale heterogeneities in surface and subsurface characteristics were examined within the area of individual landforms but also at a regional scale within the Mackenzie Delta Region. In addition to surface-subsurface interactions, the focus was on the geomorphological landforms of pingos and retrogressive thaw slumps. Pingos are key features of polar permafrost environments, are very sensitive to changes in environmental conditions and, hence, are interesting periglacial features to study surface-subsurface interactions. In contrast to this, retrogressive thaw slumps are a result of rapid thaw of ice-rich permafrost and arise more frequently in recent decades due to climate change. To enhance knowledge about the formation and development of these landforms, detailed, three-dimensional investigations were performed at a retrogressive thaw slump in the Richardson Mountains, at a hydrostatic pingo on the Tuktoyaktuk Peninsula and at a hydraulic pingo in the more southern Ogilvie Mountains. Quasi-three-dimensional electrical resistivity tomography (ERT), ground-penetrating radar (GPR) and frost probing surveys were conducted to obtain high-resolution three-dimensional information about the subsurface structures in the area of the landforms. Additional drone surveys and monitoring of ground surface temperatures provided information about surface characteristics and thermal regimes in different relief positions. The aim of this methodological approach was to measure various surface and subsurface properties in the area of the different landforms in order to analyse their interactions and relationships in more detail. In the area of the pingos, the aim was to better understand the internal structures of the landforms in particular and to determine their relationship to the local hydrology. At the retrogressive thaw slump the main objective was the investigation of relationships between subsurface structures like ice content variabilities or active layer thickness and the spatiotemporal slump development. At the retrogressive thaw slump site, the approach revealed strong heterogeneities in subsurface properties in the area close to the retreating headwall. Variations in ice content and partly unfrozen layers seem to affect the spatiotemporal slump development and the local hydrology. The local hydrology is additionally affected by a strong permafrost table topography, which was revealed by frost probing and GPR. Spatial and temporal variations in slump development were obtained from satellite data but also from two high-resolution digital elevation models derived from drone surveying. These data provide evidence on an acceleration of slump growth but also confirmed material accumulation in the slump floor indicating slump stabilisation. At the two pingo sites the focus was on the three-dimensional internal structures of the features and the delineation of frozen and unfrozen areas but also of potential massive ice bodies. At the hydrostatic pingo, a massive ice core could be detected but its position was not centred below the pingo. Instead, it is located below the western flank, whereas the eastern flank is underlain by ice-poor permafrost and partly unfrozen sediments. This contrasts with theory and raises some questions about pingo formation in general. At the hydraulic pingo, probably unfrozen areas could be detected below the centre of the pingo, which may enable ascend of artesian water. This fits to theory but the measurements failed to detect a clearly delineated, massive ice core at this site. The results of both pingo sites are among the first high-resolution, three-dimensional subsurface models of pingos and provide valuable insights to enhance knowledge about pingo formation. The more regional analysis of surface-subsurface relationships in the Mackenzie Delta Region was performed based on data collected at 25 reconnaissance sites along a north-south transect between the Richardson Mountains in the south and Richards Island and the Tuktoyaktuk Peninsula in the north. Six sites were located on Richards Island, whereas the other sites were located along the Dempster and the Inuvik-Tuktoyaktuk Highways. At each site, two-dimensional ERT surveys, frost probing and vegetation height measurements were performed. Year-round measurements of ground surface temperatures at nearly all sites completed the approach and allowed the investigation of site-specific ground thermal regimes. The ERT measurements revealed strong subsurface heterogeneities on various spatial scales but also some spatial patterns in subsurface resistivity, which seem to be related to recent morphology. The investigation of relationships between various surface parameters and the subsurface parameters of active layer thickness or electrical resistivity indicated a scale-dependent relationship between various parameters. On small spatial scales (< 10 m) there are only low to moderate correlations between surface and subsurface properties. On larger spatial scales several moderate and strong correlations could be detected using the site-specific mean values. This concerns especially relationships between the active layer thickness and several relief-related but also hydrological and vegetation-related parameters. Regarding the electrical resistivity of the subsurface, moderate or strong correlations are restricted to the hydro-geographical parameters of flow accumulation and topographic wetness index. The results of this study contribute to a better understanding of three-dimensional subsurface structures and heterogeneities in the area of pingos and retrogressive thaw slumps and therefore gain knowledge about the development of these landforms. The investigation of surface-subsurface interactions enhanced understanding of complex system interactions in periglacial environments, which should contribute to a better prediction of future landscape development in the Mackenzie Delta Region but also in other periglacial environments, especially in the context of ongoing global warming. / Die meisten Periglazialgebiete der Erde erfahren im Rahmen der aktuellen Klimaerwärmung weitreichende Änderungen, die einen erheblichen Einfluss sowohl auf das thermische Regime im Untergrund als auch auf die ablaufenden geomorphologischen Prozesse haben. Um abschätzen zu können, wie sich die Periglazialgebiete in Zukunft entwickeln, ist es notwendig, die aktuellen Untergrundeigenschaften zu kennen und komplexe Interaktionen zwischen Oberflächen- und Untergrundeigenschaften zu verstehen. Vor allem kleinräumige Heterogenitäten sind in diesem Zusammenhang besonders wichtig, da sie großskalige Vorhersagen bezüglich der zukünftigen Entwicklung deutlich erschweren. Im Rahmen dieser Studie wurden ebendiese kleinräumigen Heterogenitäten der Oberflächen- und Untergrundeigenschaften im Bereich einzelner Landformen aber auch auf einer größeren räumlichen Skala in der Mackenzie-Delta Region untersucht. Neben den Oberflächen-Untergrund-Interaktionen waren vor allem die geomorphologischen Formen der Pingos und Taurutschungen von Interesse. Pingos gehören zu den indikativen Landformen des polaren Permafrostes, sind sehr sensitiv gegenüber Veränderungen der äußeren Einflüsse und daher auch interessant für die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Untergrund und Oberfläche. Im Gegensatz dazu resultieren Taurutschungen aus dem schnellen Abtauen von eisreichem Permafrost, welche in den letzten Dekaden durch die anhaltende Klimaerwärmung gehäuft auftraten. Um die Entstehung und Entwicklung dieser Landformen besser zu verstehen, wurden detaillierte dreidimensionale Untersuchungen an einer Taurutschung in den Richardson Mountains, einem hydrostatischen Pingo auf der Tuktoyaktuk-Halbinsel und an einem hydraulischen Pingo in den weiter südlich gelegenen Ogilvie Mountains durchgeführt. Um hochaufgelöste, dreidimensionale Informationen über die Untergrundstrukturen im Bereich der Landformen zu erhalten, wurden quasi-dreidimensionale, geoelektrische Widerstandstomographie (ERT), Georadar (GPR) und Messungen der Auftauschichtmächtigkeit durchgeführt. Zusätzlich wurden Drohnenbefliegungen sowie Monitoring von Oberflächentemperaturen durchgeführt, um weitere Informationen zu Oberflächeneigenschaften, dem Relief und dem thermischen Regime in verschiedenen Reliefpositionen zu erhalten. Ziel dieses methodischen Ansatzes war es, verschiedene Oberflächen- und Untergrundeigenschaften im Bereich der verschiedenen Landformen zu messen, um deren Wechselwirkungen und Beziehungen genauer zu analysieren. Im Bereich der Pingos ging es vor allem darum, die internen Strukturen der Landformen besser zu verstehen und ihre Beziehung zur lokalen Hydrologie zu untersuchen. An der untersuchten Taurutschung konnte der Ansatz starke Heterogenitäten der Untergrundeigenschaften im Bereich angrenzend an die zurückweichende Stirnwand der Rutschung aufzeigen. Sowohl Variationen im Eisgehalt als auch teilweise ungefrorene Schichten im Untergrund scheinen die raumzeitliche Entwicklung der Rutschung sowie die lokale Hydrologie zu beeinflussen. Die Hydrologie an diesem Standort ist zudem noch durch eine starke Topographie der Permafrosttafel beeinflusst, die durch Messung der Auftauschichtmächtigkeit sowie GPR-Messungen detektiert werden konnte. Die räumlichen und zeitlichen Variabilitäten in der Entwicklung der Rutschung wurden mit Hilfe von Satellitendaten und zwei hochaufgelösten, drohnenbasierten Geländemodellen abgeleitet. Diese Daten deuten auf eine Beschleunigung des Rutschungswachstums hin, konnten aber auch eine Materialakkumulation im Bereich vor der rückschreitenden Erosionsstirn bestätigen, welche als Indiz für eine Stabilisation gesehen werden kann. An den beiden Pingos lag der Fokus auf deren dreidimensionalen internen Strukturen und der Abgrenzung von gefrorenen und ungefrorenen Bereichen sowie von potentiellen massiven Eiskörpern. Am hydrostatischen Pingo konnte ein massiver Eiskörper nachgewiesen werden, allerdings ist seine Position nicht zentral unter dem Pingo lokalisiert. Stattdessen ist er eher unter der westlichen Flanke des Pingos sowie dessen angrenzender Umgebung lokalisiert, während die östliche Flanke von eisarmem Permafrost und teilweise ungefrorenen Sedimenten unterlagert ist. Dies steht ein Stück weit in Kontrast zur bisher geltenden Theorie und wirft neue Fragen hinsichtlich der Pingo-Genese auf. Am hydraulischen Pingo konnten mutmaßlich ungefrorene Bereiche zentral unter dem Pingo detektiert werden, welche möglicherweise den Aufstieg von artesischem Grundwasser ermöglichen. Dies passt zur Theorie, wobei allerdings mit Hilfe der Messungen kein klar abgegrenzter, massiver Eiskern detektiert werden konnte. Die Ergebnisse dieser Studien gehören zu den ersten hochaufgelösten, dreidimensionalen Untergrundmodellen von Pingos und bieten daher wertvolle Einblicke, um das Verständnis zur Entstehung von Pingos zu verbessern. An der untersuchten Taurutschung war das Hauptziel die Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Untergrundeigenschaften wie beispielsweise relativen Eisgehaltsänderungen oder der Auftauschichtmächtigkeit und der raumzeitlichen Entwicklung der Taurutschung. Die eher großskalige Analyse von Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Untergrund in der Mackenzie-Delta Region wurde auf Basis von 25 Messprofilen entlang eines Nord-Südtransektes zwischen den Richardson Mountains im Süden und Richards Island bzw. der Tuktoyaktuk Halbinsel im Norden durchgeführt. Sechs dieser Untersuchungsgebiete lagen auf Richards Island, wohingegen die restlichen Profile entlang des Dempster- und Inuvik-Tuktoyaktuk-Highways lagen. An jeder dieser Lokalitäten wurde ein zweidimensionales ERT-Profil, sowie die Mächtigkeit der Auftauschicht und die Vegetationshöhe gemessen. Ganzjährige Messungen der Oberflächentemperatur an nahezu allen Standorten ermöglichte zudem die Untersuchung lokalitätsspezifischer thermischer Regime. Die ERT-Messungen konnten auf verschiedenen räumlichen Skalen starke Heterogenitäten aber auch scheinbar reliefbedingte räumliche Muster im oberflächennahen Untergrund detektieren. Die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Oberflächenparametern mit den Untergrundparametern der Auftauschichtmächtigkeit sowie der elektrischen Widerstände zeigte einige skalenabhängige Zusammenhänge zwischen verschiedenen Parametern. Auf kleinen räumlichen Skalen (<10 m) gibt es scheinbar nur schwache bis moderate Zusammenhänge zwischen Oberflächen- und Untergrundeigenschaften. Auf räumlich etwas größeren Skalen (~200 m) konnten unter der Verwendung von lokalen Mittelwerten hingegen einige moderate und auch starke Zusammenhänge nachgewiesen werden. Dies betrifft vor allem Zusammenhänge zwischen der Auftauschichtmächtigkeit und reliefbezogenen, hydro-geographischen, oder vegetationsbezogenen Parametern. In Bezug auf die elektrischen Widerstände des Untergrundes beschränken sich moderate und stärkere Zusammenhänge lediglich auf die hydro-geographischen Merkmale der Einzugsgebietsgröße sowie des topographischen Feuchteindizes (TWI). Die Ergebnisse dieser Studie tragen zu einem besseren Verständnis der dreidimensionalen Untergrundstrukturen und Heterogenitäten im Bereich von Pingos und Taurutschungen bei und helfen so, deren Entstehung und Entwicklung besser zu verstehen. Die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Untergrundeigenschaften kann zudem das Verständnis bezüglich komplexer Systeminteraktionen in Periglazialgebieten verbessern. Dies soll dazu beitragen, die zukünftige Landschaftsentwicklung in der Mackenzie-Delta Region, aber auch in den anderen Periglazialgebieten der Erde besser einschätzen zu können – besonders auch im Rahmen der anhaltenden Klimaerwärmung. / Most of the periglacial environments on Earth are experiencing enormous changes during the ongoing climate warming. These changes strongly affect the thermal regime in the subsurface as well as geomorphological processes taking place. To assess how periglacial environments will develop in the future, it is important to know the recent subsurface structures and to understand their complex relationships to surface characteristics. Small-scale heterogeneities play an important role in this context, as they make large-scale predictions regarding future development very difficult. This study presents a multimethodological approach to reveal relationships between surface and subsurface properties and their respective small-scale distribution along a north-south transect throughout the Mackenzie Delta Region in Northwest Canada. In addition, high-resolution three-dimensional investigations of two pingos and a retrogressive thaw slump reveal new insights in the morphological development of these landforms.