Die Arktis erwärmt sich mehr als 3x so schnell wie der globale Durchschnitt, was zu Permafrostdegradation führt. Permafrostdegradation führt zu einer Absenkung des Bodens mit erheblichen Veränderungen der Landoberfläche (VdL), die tiefgreifende ökologische Folgen haben und Infrastruktur-Stabilität bedrohen. Fernerkundungsdaten ermöglichen die Erkundung von VdL und Störungen in weiten Regionen. Erste Anzeichen von Permafrostdegradation zu detektieren, bleibt jedoch eine Herausforderung auf Grund ihrer kleinen räumlichen Skalen und hohen zeitlichen Variabilität. Die zunehmende Verfügbarkeit hochauflösender Bilddaten erfordert zudem nachhaltige Ansätze für deren effiziente Verarbeitung. Auch ist es wichtig, die Anfälligkeit von Infrastruktur im Kontext dieser VdL und die potenziellen ökologischen Folgen im Falle eines Infrastruktur-Versagens zu verstehen. Meine Dissertation widmete sich diesen Herausforderungen am Beispiel Alaskas (U.S.A.). Die drei Studien hatten folgende Ziele: (i) Erkennung und Quantifizierung von VdL, im Kontext von Permafrostdegradation, unter Nutzung hochauflösender Fernerkundungsdaten und Bewertung ihrer Bedrohung für Infrastruktur und (ii) Identifizierung von Infrastrukturelementen mit entscheidender Bedeutung für die Bevölkerung Alaskas, um deren Anfälligkeit für Permafrostdegradation einschätzen zu können. Das Ergebnis sind (i) zwei skalierbare, weitgehend automatisierte, leicht zugängliche methodische Rahmen, die erfolgreich VdL und Erosionsprozesse an Seeufern erkennen und quantifizieren. Außerdem erstellte ich (ii) ein umfassendes Inventar kritischer Infrastruktur und vom Menschen beeinflusster Gebiete, das über industrielle und wirtschaftliche Bedeutung hinausgeht. Dieses Inventar beruht auf der Integration verschiedener Quellen, wodurch eine eingehende Analyse der Anfälligkeit der Infrastruktur für Permafrostdegradation und ökologischen Folgen möglich wird, die im Falle eines Versagens der Infrastruktur entstehen können. / The Arctic is warming more than 3x faster than the global average, leading to permafrost degradation. When permafrost thaws, it results in ground subsidence and causes substantial land surface changes, which have profound ecological consequences and pose a threat to infrastructure stability. Remote sensing data allows us to explore land surface changes and disturbances across regions, yet early detection of permafrost degradation remains challenging due to its small-scale occurrence and high temporal variability. Further, the increasing availability of high-resolution imagery requires a sustainable framework to efficiently process these data. Also, it is essential to understand the vulnerability of infrastructure in context of these land surface changes and the potential ecological consequences that may arise in the event of infrastructure failure. In my thesis, I addressed these challenges focusing on the U.S. state of Alaska. I conducted three studies with the objectives to (i) detecting and quantifying the trajectories of land surface changes attributed to permafrost degradation using very high-resolution remote sensing data and assessing their threat to infrastructure, and (ii) identifying infrastructure elements critical to the Alaskan population to allow an estimation of their vulnerability to permafrost degradation. As a result of my research, I developed (i) two scalable, widely automated and easily accessible frameworks that successfully detect and quantify land surface displacements and shoreline erosion processes attributed to permafrost degradation. Additionally, (ii) I have compiled a comprehensive inventory of critical infrastructure and human-impacted areas, extending beyond economic and industrial importance. I created this inventory by integrating different data sources, allowing for an in-depth analysis of infrastructure vulnerability to permafrost degradation and the ecological consequences that may arise in the event of infrastructure failure.

Permafrost ist ein Bestandteil der Kryosphäre der Erde, der für Ökosysteme und Infrastruktur in der Arktis von Bedeutung ist und auch eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf einnimmt. Das Auftauen von Permafrost infolge einer Klimaerwärmung zu projizieren ist mit sehr großen Unsicherheiten behaftet, da großskalige Klimamodelle entscheidende Komplexitäten von Permafrostlandschaften nicht berücksichtigen. Insbesondere bleiben in diesen Modellen Auftauprozesse in eisreichem Permafrost unberücksichtigt, welche weitreichende Landschaftsveränderungen – sogenannter Thermokarst – hervorrufen. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich ein numerisches Modell entwickelt, um Auftauprozesse in eisreichen Permafrostlandschaften zu untersuchen, und habe es angewendet, um verbesserte Projektionen darüber zu erhalten, wie viel Permafrost infolge einer Klimaerwärmung auftauen würde. Der Schwerpunkt meiner Forschung lag auf besonders kalten, eis- und kohlenstoffreichen Permafrostablagerungen in der nordostsibirischen Arktis. In drei Forschungsartikeln habe ich gezeigt, dass der neuartige Modellierungsansatz in From von lateral gekoppelten “Kacheln” verwendet werden kann, um die Entwicklung von eisreichen Permafrostlandschaften realistisch zu simulieren. Anhand numerischer Simulationen habe ich gezeigt, dass der kleinskalige laterale Transport von Wärme, Wasser, Schnee und Sediment die Dynamik von Permafrostlandschaften sowie die Menge des aufgetauten Permafrosts unter Klimaerwärmungsszenarien entscheidend beeinflusst. Weiterhin habe ich gezeigt, dass in Simulationen, die Thermokarstprozesse berücksichtigen, wesentlich mehr Kohlenstoff vom Auftauen des Permafrosts betroffen ist, als in solchen, in denen eisreiche Ablagerungen unberücksichtigt bleiben. Insgesamt stellt die in dieser Dissertation dargelegte Forschungsarbeit einen substantiellen Fortschritt bezüglich einer realistischeren Einschätzung der Dynamik eisreicher Permafrostlandschaften mittels numerischer Modelle dar. / Permafrost is a component of Earth's cryosphere which is of importance for ecosystems and infrastructure in the Arctic, and plays a key role in the global carbon cycle. Large-scale climate models reveal high uncertainties in projections of how much permafrost would thaw in response to climate warming scenarios, since they do not represent key complexities of permafrost environments. In particular, large-scale models do not take into account thaw processes in ice-rich permafrost which cause widespread landscape change referred to as thermokarst. For this thesis, I have developed a numerical model to investigate thaw processes in ice-rich permafrost landscapes, and I have used it to obtain improved projections of how much permafrost would thaw in response to climate warming. The focus of my research was on cold, ice- and carbon-rich permafrost deposits in the northeast Siberian Arctic, and on landscapes characterized by ice-wedge polygons. In three closely interrelated research articles, I have demonstrated that the novel modelling approach of laterally coupled ''tiles'' can be used to realistically simulate the evolution of ice-rich permafrost landscapes. The numerical simulations have revealed that small-scale lateral transport of heat, water, snow, and sediment crucially affect the dynamics of permafrost landscapes and how much permafrost would thaw under climate warming scenarios. My research revealed that substantially more permafrost carbon is affected by thaw in numerical simulations which take into account thermokarst processes, than in simulations which lack a representation of excess ice. These results suggest that conventional large-scale models used for future climate projections might considerably underestimate permafrost thaw and associated carbon-cycle feedbacks. Overall, the research presented in this thesis constitutes a major progress towards the realistic assessment of ice-rich permafrost landscape dynamics using numerical models.

Boreale Wälder in Permafrostregionen sind ein wesentlicher Bestandteil regionaler und globaler Klimamuster und machen etwa ein Drittel der weltweiten Waldfläche aus. Die Entwicklung der Waldbedeckung hat einen wichtigen Einfluss auf den Permafrost, da dieser durch die Vegetation geschützt wird. Der direkte Einfluss des Klimawandels auf die Wälder und der indirekte Effekt durch eine Veränderung der Permafrostdynamik können zu weitreichenden Ökosystemverschiebungen führen, die wiederum die Persistenz des Permafrosts beeinträchtigen und wichtige Ökosystemfunktionen destabilisieren könnten. Ziel dieser Dissertation ist es zu verstehen, wie sich die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Vegetation, dem Permafrost und der Atmosphäre auf die Wälder und den darunterliegenden Permafrost auswirken. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich ein eindimensionales, numerisches Landoberflächenmodell (CryoGrid), das zur Simulation der physikalischen Prozesse in Permafrostgebieten verwendet werden kann, für die Anwendung in bewaldetem Gebieten angepasst. Dazu habe ich ein detailliertes, mehrschichtiges Kronendachmodell (CLM-ml v0) und ein dynamisches Lärchenbestandsmodell gekoppelt. Dies ermöglichte den Energietransfer und das Wärmeregime welche für die komplexe Wald-Permafrost-Dynamik verantwortlich sind an verschiedenen Untersuchungsstandorten in gemischten und lärchendominierten Wäldern in Ostsibirien zu reproduzieren. Die numerischen Simulationen ergaben, dass die Wälder den thermischen und hydrologischen Zustand des Permafrosts hauptsächlich durch die Veränderung der Strahlungsbilanz und der Phänologie der Schneedecke beeinflussen und so eine stabilisierende Wirkung haben. Die Untersuchung der unterschiedlichen isolierenden Wirkung verschiedener Waldtypen und Walddichten sowie die Rückkopplungsmechanismen nach Störungen zeigen Veränderungen der thermischen und hydrologischen Bedingungen und der Tiefe der Auftauschicht. Zusammenfassend legen die Ergebnisse nahe, dass lokale, detaillierte und spezifische Landoberflächenmodelle erforderlich sind, um die komplexe Dynamik in borealen Permafrostökosystemen vollständig zu erfassen. Veränderungen der Rückkopplungen zwischen Permafrost, Klima, Wald und Störungen werden die eng gekoppelten Ökosystemfunktionen destabilisieren. Die induzierten Bodenveränderungen werden sich auf wichtige Wald- und Permafrostfunktionen, wie beispielsweise die Isolation des Permafrostbodens oder die Kohlenstoffspeicherung, und Rückkopplungsmechanismen wie Überschwemmung, Dürren, Brände, und Waldverlust, auswirken. / Boreal forests in permafrost regions make up around one-third of the global forest cover and are an essential component of regional and global climate patterns. The forests efficiently protect the underlying permafrost but the exact processes are not well understood. The direct influence of climatic change on forests and the indirect effect through a change in permafrost dynamics can lead to extensive ecosystem shifts, which will, in turn, affect permafrost persistence and potentially destabilize various ecosystem functions. The aim of this dissertation is to understand how complex interactions between the vegetation, permafrost, and the atmosphere stabilize the forests and the underlying permafrost. Within this dissertation, I have adapted a one-dimensional, numerical land surface model (CryoGrid), which can be used to simulate the physical processes in permafrost regions, for the application in vegetated areas by coupling a detailed multilayer canopy model (CLM-ml v0), and a dynamic larch stand model. An intensive validation of the model setup has allowed for the precise quantification of the heat- and water transfer processes responsible for the complex permafrost dynamics under boreal forest covers. At a variety of study sites throughout eastern Siberia, the numerical simulations revealed that the forests exert a strong control on the thermal and hydrological state of permafrost through changing the radiation balance and snow cover phenology. The forest cover has a net stabilizing effect on the permafrost ground below. The detailed physical model has furthermore enabled me to study the variation in insulation effect between different forest types and densities as well as the feedback mechanisms occurring after disturbances. In summary, the results suggest that local, detailed, and specific land surface models are required to fully comprehend the complex dynamics in boreal permafrost ecosystems. The research revealed that the feedbacks between permafrost, climate, boreal forest, and disturbances will destabilize tightly coupled ecosystem functions. The induced changes will affect key forest and permafrost functions, such as the forest's insulation capacity or the carbon budget, as well as feedback mechanisms like swamping, droughts, fires, or forest loss.