Numerical modeling to estimate the impact of built infrastructure on permafrost degradation - Case study from Ilulissat, Greenland

Abstract

Infrastruktur i permafrostlandskap påvirker bakkens termiske regime og kan øke permafrostens nedbrytning. Stabiliteten og brukbarheten til infrastrukturen avhenger likeledes av de termiske forholdene i undergrunnen. Studieområdet i Ilulissat (Vest-Grønland) er påvirket av typisk varm og ofte isrik permafrost. Følgelig vil infrastrukturen sannsynligvis fremskynde tiningen av bakken. Numeriske modeller kan brukes til å estimere påvirkningen av infrastruktur på permafrostforringelse, innsynkning og damning nær veier. I denne studien undersøkte jeg påvirkningen av veier i Ilulissat ved å bruke en spesifikk konfigurasjon av den endimensjonale, lateralt koblede varmeoverføringsmodellen CryoGrid, som er en del av en større verktøykasse som er i stand til å simulere ulike prosesser. Jeg brukte ERA5-reanalysedata (1980–2020) og MPI–ESM-modellprojeksjoner i henhold til SSP5–8.5-scenariet (2020–2100) som klimapådriv og validerte dem med stedsdata fra den lokale værstasjonen (1991–2021). Borehullsdata fra Ilulissat og de nordøstlige omgivelsene gir informasjon om jordstratigrafiske egenskaper for først å bygge modellen for den naturlige, uforstyrrede tundraen. Deretter la jeg den forhøyede grusvollen som lineær infrastruktur til modellen med flere fliser for veibanen og skulderen. I tilleggsmodellkjøringer kvantifiserte jeg effekten av snø ved å endre snøfordelingen nær veien for å imitere brøyting samt termiske egenskaper, overflødig islag og veialbedo. Jeg brukte observasjoner fra værstasjonen og iButton bakketemperatursensorer for validering av modellkjøringene. Mine simuleringer viser at byggingen av en vei hadde en direkte innflytelse på det termiske regimet ved å varme opp jorda. En generell utdyping av det aktive laget ble projisert i løpet av det nåværende århundre, noe som støttes av borehullsobservasjoner. På samme måte påvirket de tilknyttede vedlikeholdstiltakene som akkumulering av ryddet snø responsen til jorda, som en isolator av vollen, og hindret lagret varme i å unnslippe. Videre ble effektene av et mørkere veidekke, de termiske egenskapene til grusen og akselerert tining og damning på grunn av tilstedeværelsen av overflødig is observert. Siden den nåværende tilstanden med permafrost er sårbar for klimaendringer, er det viktig å stole på modeller for å gi realistiske anslag.

Infrastructure in permafrost landscapes affects the ground thermal regime and may enhance permafrost degradation. The stability and usability of the infrastructure depend likewise on the thermal conditions of the subsurface. The study area in Ilulissat (West Greenland) is affected by typically warm and often ice-rich permafrost. Consequently, the infrastructure is likely to accelerate thawing of the ground. Numerical models can be used to estimate the influence of infrastructure on permafrost degradation, subsidence, and ponding near roads. In this study, I investigated the influence of roads in Ilulissat using a specific configuration of the one-dimensional, laterally coupled heat-transfer model CryoGrid, which is part of a larger toolbox capable of simulating various processes. I used ERA5 reanalysis data (1980–2020) and MPI–ESM model projections according to the SSP5–8.5 scenario (2020–2100) as climate forcing and validated them with site data from the local weather station (1991–2021). Borehole data from Ilulissat and the north-eastern surroundings provide information on soil stratigraphy properties to first build the model for the natural, undisturbed tundra. I subsequently added the elevated gravel embankment as linear infrastructure to the model with several tiles for the roadway and the shoulder. In additional model runs, I quantified the effect of snow by changing the snow distribution near the road to imitate plowing as well as thermal properties, excess ice layer and road albedo. I utilized observations from the weather station and iButton ground surface temperature sensors for validation of the model runs. My simulations show that the construction of a road had a direct influence on the thermal regime by warming the soil. A general deepening of the active layer was projected within the current century, which is supported by borehole observations. Likewise, the associated measures of maintenance such as accumulation of cleared snow affected the response of the soil, as an insulator of the embankment, preventing stored heat from escaping. Furthermore, the effects of a darker road surface, the thermal properties of the gravel and the accelerated thawing and ponding due to the presence of excess ice were observed. As the current state of permafrost is vulnerable to climate change, it is important to rely on models to provide realistic projections.