Dynamics of Active Layer on Qinghai-Xizang Plateau

• Applicant: Professor Dr. Kurt Roth
• Subject Area: Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management
• Term: from 2005 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5452286

• Final Report Year: 2009

Final Report Abstract

Permafrostregionen reagieren äusserst empfindlich auf Veränderungen von Umweltbedingungen, insbesondere auf die allgemeine Erwärmung des Klimas in den letzten Jahrzehnten. Mit “Permafrost” verbindet man im allgemeinen die arktischen Regionen in Sibirien, Kanada und Alaska, wo durch die starke Erwärmung grosse Mengen der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan frei gesetzt werden, die ihrerseits die Erwärmung weiter antreiben. Eine weniger im öffentlichen Interesse stehende Permafrostregion ist das Hochland von Tibet. Die dominante Thematik sind hier weniger die Treibhausgase sondern mehr die Wasserressourcen. Die grossen Ströme Asiens, die für die Ernährung von weit über zwei Milliarden Menschen essenziell sind, entspringen im Hochland von Tibet und ihre Wasserführung wird wesentlich durch die Umweltbedingungen dort bestimmt und zwar sowohl direkt, über die Hydrologie des Gebiets, als auch indirekt, über die Modifikation des asiatischen Monsuns. Im Rahmen dieses Projektes wurden zwei Regionen untersucht, nämlich (i) ein Transekt zwischen den Verbindungslinien Xining-Yushu und Golmud-Lhasa im Osten des Plateaus und (ii) das Gebiet von Aksai Chin im Westen. In beiden Gebieten wurden dabei einerseits umfangreiche geophysikalische Messungen durchgeführt, primär mit GPR (ground-penetrating radar), sekundär mit ERT (electrical resistivity tomography). Anderseits wurden automatische Boden-Wetter Beobachtungsstationen installiert. Wesentliche Fortschritte durch dieses Projekt gibt es (i) bei der GPR-Messung und (ii) bei der Verfügbarkeit von Daten über die Permafrostdynamik auf dem Hochland von Tibet: • Durch die Entwicklung und Demonstration von Mehrkanal-GPR steht nun ein Verfahren zur Verfügung mit dem Reflektortiefe und mittlerer volumetrischer Wassergehalt der zugehörenden Schicht simultan und mit ähnlicher Geschwindigkeit, wie bei einer gewöhnlichen GPR-Messung gewonnen werden können. Dies ist insbesondere in Permafrostregionen von essenzieller Bedeutung, wo einerseits der Wassergehalt oft eine ausgeprägte kleinräumige Variabilität zeigt, damit die Tiefe des Eisspiegel mit gewöhnlichen Verfahren nicht mehr hinreichend genau bestimmt werden kann, wo aber anderseits gerade diese Tiefe entscheidend für die hydrologische Situation ist. Die hier entwickelten Methoden stellen wir allgemein zur Verfügung. • Für eine Reihe arktischer Permafrost-Sites stehen bereits umfassende, genaue und relativ lange Messreihen zur Verfügung. Im Gegensatz dazu gab es bisher kaum verlässliche Zeitreihen für Sites auf dem tibetanischen Plateau. Insbesondere gab es, unseres Wissens, keine Messreihen aus der Aksai Chin Region im Westen des Hochlandes. Die Auswertung dieser Daten wird zwar noch etwas Zeit in Anspruch nehmen, wird schliesslich aber einen vertieften Einblick in eine faszinierende Permafrostregion bieten, eine Region, die auf der selben geografischen Breite ist, wie der Norden Marokko’s und Tunesien’s und eine entsprechend starke Strahlungsdynamik aufweist.

Publications

• 2005. Estimation of temporal changes of volumetric soil water content from ground-penetrating radar reflections. Subsur. Sens. Technol. Appl., 6, 207–218
  Wollschläger, U. and Roth, K.
  (See online at https://doi.org/10.1007/s11220-005-0007-y)
• (2006): Application of multi-channel ground-penetrating radar for estimating volumetric soil water content at the field scale. EGU General Assembly, Vienna, 02.-07. April 2006
  Wollschläger, U., H. Gerhards, C. Ulbrich, P. Schiwek and K. Roth
  
• (2006): Approximations for Electromagnetic Remote Sensing Methods and Estimation of Near Field Properties. EGU General Assembly, Vienna, 02.-07. April 2006
  Gerhards, H., U. Wollschläger and K. Roth
  
• (2006): Exploration of Permafrost on the Eastern and Western Tibetan Plateau. Cold & Arid Regions Environment and Engineering Research Institute (CAREERI), Lanzhou, Oct 20, 2006
  Roth, K.
  
• (2007): Combining GPR, TDR, and hydraulic inversion for obtaining a large scale effective hydraulic parameterization. EGU General Assembly, Vienna, 15.-20. April 2007
  Wollschläger, U., H. Gerhards and K. Roth
  
• (2007): Exploration of the Western Tibetan Plateau. Cold & Arid Regions Environment and Engineering Research Institute (CAREERI), Lanzhou, Sept 20, 2007
  Roth, K., U. Wollschläger, and T. Pfaff
  
• (2007): Exploring Permafrost with Multi-Channel GPR. AGU 2007 Fall Meeting, San Francisco, 10.-14. December 2007
  Roth, K., U. Wollschläger, H. Gerhards, and Q. Yu
  
• (2007): Measuring soil water content with ground-penetrating radar: Determining water content in a complicated soil environment. 67. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Aachen, 26.-29. März 2007
  Wollschläger, U., H. Gerhards and K. Roth
  
• (2007): Multi-Channel GPR for Rapid Simultaneous Estimation of Reflector Depth and Soil Water Content. EGU General Assembly, Vienna, 15.-20. April 2007
  Gerhards, H., U. Wollschläger, P. Schiwek and K. Roth
  
• (2007): Multi-Channel Ground Penetrating Radar: A Fast, Non-invasive Tool to Detect Reflector Depth and Average Water Content Simultaneously. AGU 2007 Fall Meeting, San Francisco, 10.-14. December 2007
  Gerhards, H., U. Wollschläger, S. Schneider and K. Roth
  
• (2007): Permafrostmessungen auf dem Tibet-Plateau. Nacht der Wissenschaft, Heidelberg, 10.11.2007
  Wollschläger, U., T. Pfaff, P. Schiwek and K. Roth
  
• (2008): Application of Multi-Channel GPR to Explore Permafrost Structures on the Qinghai-Tibet Plateau. EGU General Assembly, Vienna, 13.-18. April 2008
  Wollschläger, U., Holger Gerhards, Tobias Pfaff, Qihao Yu and Kurt Roth
  
• (2008): Application of Multi-Channel GPR to Explore Permafrost Structures on the Tibetan Plateau. GPR2008, Birmingham, 16.-19. June 2008
  Wollschläger, U., Holger Gerhards, Qihao Yu and Kurt Roth
  
• (2008): Application of Multi-Channel Ground-Penetrating Radar to Determine Thaw Depth and Moisture Content of the Active Layer. AGU 2008 Fall Meeting, San Francisco, 15.-19. December 2008
  Wollschläger, U., Holger Gerhards, Qihao Yu and Kurt Roth
  
• 2008. Continuous and simultaneous measurement of reflector depth and average soil-water content with multichannel ground-penetrating radar. Geophysics, 73, J15–J23
  Gerhards, H., U. Wollschläger, Q. Yu, P. Schiwek, X. Pan, and K. Roth
  (See online at https://doi.org/10.1190/1.2943669)
• 2008: Ground Penetrating Radar as a Quantitative Tool with Applications in Soil Hydrology, PhD Thesis, Heidelberg University
  Gerhards, H.
  
• (2009): Mehrkanal-Georadar zur Kartierung der Auftautiefe und des Bodenwassergehalts von Permafrostböden. DGG Jahrestagung, 23.-26.03.2009, Kiel
  Wollschläger, U., H. Gerhards, Q. Yu and K. Roth
  
• 2009. Multi-channel ground-penetrating radar to explore spatial variations in thaw depth and moisture content in the active layer of a permafrost site. Cryosphere Discussions
  Wollschläger, U., H. Gerhards, Q. Yu, and K. Roth
  (See online at https://doi.org/10.5194/tc-4-269-2010)