This thesis has investigated the possibility of improved soil temperature modeling using an updated version of an existing soil temperature model frequently used in catchment scale biogeochemical modeling. Future (2061-2090) snow dynamics and soil temperature was projected using ensemble of bias-corrected regional climate models (RCM). Effects over a north-south gradient of Sweden were analyzed using the four Swedish Integrated Monitoring (IM) catchments as study sites. Model calibration was applied on the study sites using daily observations of soil temperature for 1996-2008. The calibrated models were able to simulate soil temperature at different depths in the soil profile in a very accurate way in all IM sites. The lowest validation NS-value (objective criterion used for measuring goodness of fit) recorded in the study was 0.93. Even though the overall model performances were good, the simulations had problem of duplicating some of the winter temperatures at the northernmost site, Gammtratten. Whether the updated soil temperature model offered an improvement of the existing model is therefore debatable. The future simulations showed increasing soil temperatures at all study sites on annual basis, more in the south than in the north. Annual soil temperatures were projected to increase by 1.31 – 2.33 °C for the different study sites. Winter soil temperatures were clearly higher than during 1996-2008 for the two southernmost sites, whilst Gammtratten in the north, had colder winter soil temperatures. At the midmost catchment, winter soil temperatures were quite similar to that of the test period. Whether the cold winter soil temperatures at Gammtratten were a result of snow loss was ambiguous. The results from the future simulations showed the complexity of predicting soil temperature and strengthened the conclusion among scientists that any general assumptions of future soil temperature based on e.g. air temperature cannot be done. / Det här examensarbetet har undersökt möjligheterna till förbättrad modellering av marktemperaturer genom införandet av en uppdaterad version av en tidigare modell, frekvent använd vid biokemisk modellering på avrinningsområdesnivå. Vidare har framtida (2061-2090) snödynamik och marktemperaturer simulerats genom att en ensemble av bias –korrigerad klimatdata används för att driva modellen. Nutida (1996-2008) klimatdata, samt marktemperatursdata för kalibrering och validering av modellen, tillhandahölls från de fyra platser som ingår i det Svenska miljöövervakningsprogrammet (IM). Dessa platser kom att utgöra en syd-nordlig gradient, längs vilken resultaten analyserades.   Det generella omdömet från kalibreringen av modellen var att den kunde erbjuda en bra representation av verkliga förhållanden i fråga om marktemperatur. Det lägsta NS-värdet (objektivt kriterium använt för att mäta modellens passningsgrad) som uppmättes under valideringen var 0,93, vilket ansågs vara mycket högt. Dock hade modellen svårigheter att efterlikna verkliga markförhållanden vid Gammtratten under vintermånaderna, vilket föranledde slutsatsen att vidare undersökningar behöver göras för att kunna fastställa om modellen utgör en förbättring av den tidigare existerande versionen.   De framtida simuleringarna visade högre årliga marktemperaturer i jämförelse med dagen värden, särskilt i söder. Baserat på simuleringarna är det troligt att framtida marktemperaturer kommer att vara mellan 1,31 och 2,33 °C högre än idag. Beträffande säsongsmässig variation var maktemperaturerna under vintern högre än dagens värden för de två sydliga platserna medans de var lägre för den nodligaste platsen (Gammtratten). Huruvida de kallare simulerade marktemperaturerna vid Gammtratten var en konsekvens av ett mindre isolerande snötäcke var tvetydigt. Resultaten från de framtida simuleringarna har visat på komplexiteten i att förutspå framtida marktemperaturer och har stärkt uppfattningen om att några generella slutsatser om vad t.ex. högre lufttemperaturer kommer få för konsekvenser för framtida marktemperaturer inte kan göras.

Markvärme används för att hålla bland annat gångvägar och parkeringshus fria från snö och is. Dessa system styrs oftast baserat på momentan data hämtat direkt från anläggningen. Dessa markvärmesystem förbrukar stora mängder energi och syftet med detta projekt var att baserat på framtida väderprognoser optimalt och individuellt styra driften för att minimera energiförbrukningen.   Baserat på momentan marktemperatur och framtida väderprognoser går det att skapa en modell över markens framtida temperatur. Med hjälp av den framtida marktemperaturen samt tidigare och framtida nederbördsintensiteten går det att identifiera potentiellt farliga förhållanden som kommer att kräva markvärme. När detta behov är identifierat beräknas den tid det kommer ta att värma upp marken till en bestämd temperatur och smälta all nederbörd som befinner sig på marken.   När all nederbörd har smält börjar processen att torka marken. Med en ytavrinningsfaktor på 0.9 antas det att 90% av all nederbörd kommer att rinna av från vägen. Baserat på marktemperaturen och diverse olika väderparametrar beräknas avdunstningstiden för de resterande 10% av nederbörd som fortfarande är kvar på marken. När all nederbörd har avdunstat och ingen ny nederbörd är väntad inom tre timmar så anses marken vara torr och systemet går ur drift.   Systemet testades med data från februari 2023 och jämfördes med driften av markvärmen hos en av GateIBS anläggningar. Logiken för start av drift testades separat från logiken för stopp av drift. Det nya systemet skulle starta driften två gånger under februari med en nederbördsgräns satt till 3mm och 5mm och tre gånger med nederbördsgränsen satt till 1mm. Detta är en drastisk minskning jämfört med det faktiska markvärmesystemet som gick i drift totalt tio gånger under samma månad. Logiken för stopp av drift testades enbart då det faktiska markvärmesystemet gick i drift och under hela månaden så skulle det nya systemet sammanlagt stoppat driften 50 timmar tidigare vilken är en minskning i tid av total drift med 29.2% och en minskning i förbrukad energi med 28.5%. / Ground heating is used to keep walkways and parking lots free from snow and ice. These systems are usually controlled based on real-time data obtained directly from the facility. These ground heating systems consume large amounts of energy, and the purpose of this project was to optimally and individually control the operation based on future weather forecasts in order to minimize energy consumption.   Based on the current ground temperature and future weather forecasts, it is possible to create a model of the future temperature of the ground. Using the future ground temperature, as well as past and future precipitation intensity, it is possible to identify potentially hazardous conditions that will require ground heating. Once this need is identified, the time it will take to heat the ground to a specific temperature and melt all the precipitation on the ground is calculated.   After all the precipitation has melted, the process of drying the ground begins. With a surface runoff factor of 0.9, it is assumed that 90% of all precipitation will run off from the road. Based on the ground temperature and various weather parameters, the evaporation time for the remaining 10% of precipitation still on the ground is calculated. When all the precipitation has evaporated and no new precipitation is expected within three hours, the ground is considered dry, and the system stops operating.   The system was tested using data from February 2023 and compared with the operation of the ground heating system at one of GateIBS facilities. The logic for starting the operation was tested separately from the logic for stopping the operation. The new system would initiate the operation twice in February with a precipitation threshold set at 3mm and 5mm, and three times with the threshold set at 1mm. This is a drastic reduction compared to the actual ground heating system, which started a total of ten times during the same month. The logic for stopping the operation was tested only when the actual ground heating system was in operation, and throughout the month, the new system would have stopped the operation 50 hours earlier, resulting in a total reduction in operating time of 29.2% and a reduction in energy use by 28.5%.

Under uppvärmda byggnader med grundkonstruktionen betongplatta på mark sker ett värmeflöde ner i marken. Flödet kan liknas med bågformade pilar som strömmar från plattans mitt ut mot kanterna. Vid ökande plattstorlekar kommer värmeflödet från de centrala delarna att hindras på grund av markens ökande värmemotstånd. Värmen lagras då och en temperaturökning sker i marken. Om plattan är tillräckligt stor kommer temperaturen i marken stiga till den grad att risk för skadlig fuktdiffusion uppstår. Drivkraften för fuktflödet är skillnaden i ånghalter mellan den fuktiga marken och den torrare inomhusluften. Om en tät golvbeläggning appliceras på betongen finns det risk att fukten stängs in och leder till problem. De flesta golvbeläggningar har en kritisk relativ ånghalt att förhålla sig till innan golvet tar skada och beror på temperaturskillnaden över konstruktionen. En högsta tillåten relativ ånghalt på 85% under golvbeläggningen motsvarar med förenklingar en temperaturskillnad på 3°C. Avståndet från ytterkanten av plattan där marken uppnår en temperatur som skiljer sig 3°C eller mindre från inomhustemperaturen benämns som kritiska gränsen där skadlig fuktdiffusion kan uppstå. Genom att undvika en hög marktemperatur går det att skydda konstruktionen från fuktproblem. Hur temperaturfördelningen i marken under plattan påverkas vid succesivt ökande plattstorlekar undersöktes både stationärt och dynamiskt med handberäkningar och simuleringar. Plattorna simulerades för Malmö, Gävle och Kiruna. Resultaten visar hur isoleringsmängden tycks ha störst betydelse för temperaturfördelningen. Exempelvis för en plattkonstruktion med 300 mm underliggande isolering i Malmö visade det sig att risken för fuktproblem uppkommer först vid plattbredder på 90 meter, medan det med 100 mm isolering uppstår problem redan vid 40 meter eller större. En större mängd isolering kan alltså fungera som fullgott fuktskydd även för stora plattstorlekar. Temperaturvariationerna i utomhusluften över året leder till svängningar i temperaturen i marken under plattans yttre delar med ett inträningsdjup på cirka 10 meter. Årsvariationernas inverkan på marktemperaturen visade sig inte leda till tillräckligt höga temperaturer för att fuktproblem skulle uppstå i någon av plattorna i de undersökta städerna. / Underneath heated buildings with the foundation structure of a concrete slab on the ground, heat flows into the ground. The flow can be visualized as arc-shaped arrows that move from the center of the slab out towards the edges. With increasing slab sizes, the heat flow from the central parts will be reduced due to the increasing heat resistance of the soil. This will lead to a thermal build up in the ground under the slab with increasing temperature as a result. If the slab is large enough, the temperature in the ground will rise to the point where there is a risk of harmful moisture diffusion. The moisture flow is driven by the difference in the vapour content between the moist soil and the drier indoor air. If a non-permeable floor covering is applied to the concrete, there is a risk that the moisture will be trapped and lead to problems. Most floor coverings have a critical relative humidity that will lead to damage. It depends on the temperature difference through the structure. A maximum permissible relative humidity content of 85% under the floor covering corresponds to a temperature difference of 3°C. The distance from the outer edge of the slab where the ground reaches a temperature that differs 3°C or less from the indoor temperature is referred to as the critical limit at which harmful moisture diffusion can occur. By avoiding a high ground temperature, it is possible to protect the structure from moisture problems. How the temperature distribution in the ground under the slab is affected by successively increasing slab sizes is investigated both stationarily and dynamically with hand calculations and simulations. The slabs were simulated for Malmö, Gävle and Kiruna. The results show how the amount of insulation seems to have the greatest impact on the temperature distribution. For example, a slab structure with 300 mm underlying insulation in Malmö shows that the risk of moisture problems arises at slab widths over 90 meters, while with 100 mm insulation, problems already arise at 40 meters or larger. A thick layer of insulation can thus function as adequate moisture protection even on larger slabs. The temperature variations in the outdoor air over the year lead to fluctuations in the temperature of the ground under the outer parts of the slab with a penetration depth of about 10 meters. The impact of the annual variations in the soil temperature did not turn out to lead to sufficiently high temperatures for moisture problems to occur in any of the slabs in the investigated cities.

Observed climatic change may result in modification of the ground thermal regime.The causes of shallow ground temperature variability, however, are not well documented.This thesis reports ground temperatures from Absiko Scientific Research Station, measured ata site currently not underlain by permafrost to illustrate the response of shallow groundtemperatures to changes in climatic parameters. Both air temperature and precipitationincreased at Abisko from 1985-2010. The strongest increase in air temperature occurred inwinter, whereas the precipitation increased mainly during the summer months. There was asignificant trend towards later onset of permanent snow cover, as well as a steadily earlierdisappearance of permanent snow cover in spring, resulting in reduced snow cover duration.Also the snow thickness decreased at Abisko during the study period. The ground experiencedapproximately five months of frost at 5 and 20 cm depth and approx. four, respectively two,months at 50 and 100 cm depth. Annual ground temperatures were found to be increasingfrom 1985-2010 with approx. 0.31 °C, 0.64 °C, 0.82 °C and 0.94 °C at 5, 20, 50, respectively100 cm depth from the surface. The duration and intensity of the seasonal frost cycles weredecreasing, which would reflect the increasing ground temperatures. Changes in short-termfrost cycles were not found to be significant. The changes in mean annual and winter groundtemperature were significantly correlated to the changes in mean annual and winter airtemperature, but surprisingly not to the changes in snow cover. However, seasonally theincreasing trend of ground temperatures was found in autumn and winter, whereas thesummer ground temperatures were decreasing. The cooling of ground temperature in summerat increasing air temperatures may be explained by increased precipitation totals and henceincreased soil moisture due to the so called soil-moisture feedback. From this fact, it can bededuced that the changes in air temperature alone cannot explain all variances in groundtemperatures. However, the results of the study may suggest that in sub-Arctic Swedenchanges in air temperatures may be used as indicator for changes in shallow groundtemperatures. / perioden 1985-2010 ökade både lufttemperatur och nederbörd i Abiskoområdet. Denstörsta ökningen av lufttemperatur skedde under vinterhalvåret medan nederbörden ökademest under sommarhalvåret. En signifikant förkortning i längden av vintersnötäckets existensunder året observerades under studieperioden. Reduceringen av vintesnötäcket skedde genomatt den första snön kom senare och bortsmältningen på våren skedde tidigare. Snötäcketstjocklek minskade också under studieperioden. Marktemperaturmätningarna visar frysgraderpå 5 och 20 cm djup fem månader och fyra respektive två månader på 50 och 100cm djup.Den årliga medeltemperaturen i marken ökade under perioden med 0.31 °C, 0.64 °C, 0.82 °Coch 0.94 °C vid 5, 20, 50 och 100 cm djup. Den årliga längden och intensiteten avfrysförhållandena i marken minskade vilket förmodligen är en konsekvens av de ökandemarktemperaturerna. Ingen trend i förekomsten av kortare svängningar i frysförhållandenakunde observeras. Förändringarna i årsmedetemperaturen i marken är signifikant korrelerademed förändringen i den årliga medeltemperaturen och vintertemperaturen i luften, men ingenkorrelation mellan marktemperaturen och förändringar i snötäckets tjocklek och längdobserverades. Studien avslöjade också att temperaturen i marken ökade under vinternhalvåretmedan den sjönk under sommaren. Avkylningen av marken under sommaren kan förklaras avökad nederbörd under sommaren som ger högre markfuktighet som ger en kylande effektgenom den så kallade jord-fuktighets återkopplingsmekanismen (soil-moisture feedback).Från detta kan vi dra slutsatsen att förändringar i enbart lufttemperatur inte kan förklara denhela observerade variansen av marktemperatur men att lufttemperaturen har en domineranderoll. Resultaten från denna studie indikerar således att förändringar lufttemperatur kananvändas som en indikator på marktemperaturförändringar i Abisko området.