Forschungsprojekt: CryoHyd – Veränderungen in der Kryosphäre und deren Auswirkungen auf die Hydrologie

Ein Teil des Projektteams zu Geländearbeiten in der Mongolei, September 2022. Foto: L. Menzel

Zur Kryosphäre der Erde gehören die zumindest zeitweise eis- und schneebedeckten Regionen sowie die von Permafrost unterlagerten Gebiete. Es ist davon auszugehen, dass die durch die globale Er-wärmung verursachten Veränderungen in der Kryosphäre den Wasserkreislauf verändern, was sich auf die Verfügbarkeit von Süßwasser für Menschen und Ökosysteme auswirkt. In unserer Arbeits-gruppe untersuchen wir, wie sich ein Abbau (Degradation) des Permafrosts sowie eine Veränderung der Schneedeckenandauer auf die Hydrologie im Großraum Südsibiriens und der Mongolei auswirkt. Im Norden der Mongolei, im Flussgebiet der Selenga, führen wir seit mehr als zehn Jahren Feldforschungen in den Quellflüssen des Khentii-Gebirges durch. Gleichzeitig, und gestützt auf unsere Messungen im Khentii-Gebirge, analysieren wir die Ursachen für die teils drastischen Veränderun-gen in der Hydrologie sibirischer Flüsse wie der oberen Lena oder dem Aldan.

Ein Permafrostprofil anzulegen ist aufwendig und körperlich sehr anstrengend. Die abgelegene Untersuchungsregion im Norden der Mongolei ist nur zu Pferd und zu Fuß erreichbar, daher stehen keine Maschinen für die Arbeiten zur Verfügung. Foto: L. Menzel

Im Khentii-Gebirge beobachten wir nicht nur in den von Waldbrand betroffenen Flächen einen starken Rückgang des Permafrosts, d.h. eine andauernde Tieferlegung der Permafrosttafel sowie eine laterale Degradation des Permafrosts. Auch unter den unberührten Taigawäldern in den höheren Lagen des Gebirges scheint sich die Mächtigkeit der Auftauschicht weiter zu vergrößern. Die möglichen Auswirkungen auf die Hydrologie der Region wurden bereits in mehreren Artikeln unserer Arbeitsgruppe beschrieben, siehe z.B. Kopp et al. (2015), jedoch sind die Veränderungen komplexer Natur und bedürfen weiterer Untersuchungen.

Einbau von Bodenfeuchte- und Temperatursensoren in eine Permafrost-Beobachtungsgrube. Die Gruben werden anschließend wieder mit Erdreich verfüllt. Foto: G. Yadamsuren

Auf der großen räumlichen Skala kombinieren wir Techniken der Datenassimilation, der Kreuzkorrelationsanalyse und der hydrologischen Modellierung um die Antriebe historischer hydrologischer Veränderungen auf verschiedenen zeitlichen Skalen zu untersuchen. So beobachten wir beispielsweise einen deutlichen Anstieg des Abflusses im Aldan-Einzugsgebiet (Jahre 1954-2013: 4,4 km³/10 Jahre, p≤0,05), das von kontinuierlichem Permafrost unterlagert ist, obwohl der Niederschlag im Untersuchungszeitraum keine signifikanten Veränderungen aufweist. Es wird zudem offensichtlich, dass die durch die Erwärmung verursachte Permafrostdegradation zu starken Regimewechseln im Abfluss der untersuchten Einzugsgebiete geführt hat. Die Schneedecke hat einen entscheidenden Einfluss auf die Stabilität des Permafrostes, daher ist Schnee eine der Variablen, die wir in unsere Beobachtungen und Analysen einbeziehen. Unsere Untersuchungen in Südsibirien belegen, dass zwar die Schneehöhen abgenommen haben, eine vermutete Verkürzung der Schneedeckenandauer bislang jedoch nicht nachgewiesen werden konnte.

Ergebnisse einer Analyse zur Veränderung der Lufttemperatur und des Abflusses im Aldan, einem Nebenfluss der Lena in Sibirien. Die ansteigenden Trends bei beiden Größen sind statistisch hoch signifikant. Aus Han & Menzel (2022), verändert.

Die Untersuchungen gehören zu unseren Langfristvorhaben, da nur eine fortgesetzte Beobachtung und Analyse der Prozesse und Dynamiken in der Kryosphäre und ihrer Wechselwirkungen mit der Hydrosphäre zu gesicherten Erkenntnissen führen kann.

Unsere Kooperationspartner

• Mongolische Akademie der Wissenschaften, Geographisches Institut (Permafrostmonitoring)
• Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), Institute of Arctic Climate and Environment (großskalige Beobachtung und Modellierung)

Ausgewählte Posterpräsentationen

• Han & Menzel (EGU, 2021): Terrestrial water variability in Southern Siberia driven by permafrost degradation
• Zhao & Menzel (SnowHydro, 2022): Variability of snow cover over Southern Siberia during 1982-2019

Zeitungsmeldung

• Wie sich der Klimawandel im Norden auswirkt, RNZ Dezember 2022

Literatur

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• Törnros, T., Menzel, L. (2010): Heading for knowledge in a data scarce river basin: Kharaa, Mongo-lia. Status and Perspectives of Hydrology in Small Basins. Proceedings of the Workshop held at Gos-lar-Hahnenklee, Germany. Vol. 30. 2010.
• Minderlein, S., Menzel, L. (2015): Evapotranspiration and energy balance dynamics of a semi-arid mountainous steppe and shrubland site in Northern Mongolia. Environ Earth Sci 73, 593–609. https://doi.org/10.1007/s12665-014-3335-1
• Menzel, L. (2016): Eco-hydrological investigations in the Khentii mountains, Northern Mongolia. Mountain Meridian, 8, 14–15, http://issuu.com/mountainresearchinitiative/docs/news8
• Kopp, B., Minderlein, S. & Menzel, L. (2014): Soil moisture dynamics in a mountainous headwater area in the discontinuous permafrost zone of northern Mongolia. Arctic, Antarctic and Alpine Re-search, 46(2), 459–470, https://doi.org/10.1657/1938-4246-46.2.459
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• Kopp, B. J., Lange, J. & Menzel, L. (2017): Effects of wildfire on runoff generating processes in northern Mongolia. Reg Environ Change 17, 1951–1963. https://doi.org/10.1007/s10113-016-0962-y
• Munkhjargal, M., Groos, S., Pan, C. G., Yadamsuren, G., Jambaljav, Y. & Menzel, L. (2019): Multi-source based spatio-temporal distribution of snow in a semi-arid headwater catchment of Northern Mongolia. Geosciences, 9, 53, https://doi.org/10.3390/geosciences9010053
• Munkhjargal, M. & Menzel, L. (2019): Estimating daily average net radiation in Northern Mongolia. Geografiska Annaler: Series A, Physical Geography, https://doi.org/10.1080/04353676.2019.1583498
• Munkhjargal, M., Yadamsuren, G., Jambaljav, Y. & Menzel, L. (2020): The combination of wildfire and changing climate triggers permafrost degradation in the Khentii Mountains, Northern Mongolia. Atmosphere, 11, 155, https://doi.org/10.3390/atmos11020155
• Munkhjargal, M., Yadamsuren, G., Jambaljav, Y. & Menzel, L. (2020): Ground surface temperature variability and permafrost distribution over mountainous terrain in northern Mongolia. Arctic, Ant-arctic and Alpine Research, 52:1, 13-26, https://doi.org/10.1080/15230430.2019.1704347
• Han, L. & Menzel, L. (2022): Hydrological variability in southern Siberia and the role of permafrost degradation. Journal of Hydrology, 604, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.127203