The influence of snow cover, air temperature, and groundwater flow on the active-layer thermal regime of Arctic hillslopes drained by water tracks

Abstract

Permafrost in Arctic watersheds limits soil biological activity to a thin, seasonally thawed active layer that contributes water to streams. In many hillslopes, relatively wet drainage features called water tracks have distinct freeze-thaw patterns that affect groundwater flow and storage, and thus the export of heat and solutes to Arctic streams. This study uses groundwater flow and energy transport models to examine potential controls on the timing and duration of freeze–thaw conditions and the magnitude of temperature fluctuations within water tracks and their adjacent hillslopes. The simulated length of the active-layer thaw season varies by 1 month over the range of snow-cover and mean annual air-temperature scenarios simulated. The timing and duration of freezing is particularly sensitive to depth and duration of snow cover. Thus, the deeper snowpack covers that can accumulate in water tracks contribute to their more persistent thaw conditions and their ability to conduct groundwater downslope. A three-dimensional simulation shows that during the summer thaw season, the water track captures groundwater laterally from half way across the hillslope. The models presented here elucidate key mechanisms driving small-scale variation in the active-layer thermal regime of tundra hillslopes, which may be responsible for changes in drainage-network geometry and Arctic biogeochemical fluxes under a warming climate.

Résumé

Dans les bassins de l’Arctique, le pergélisol limite l’activité biologique du sol à une couche active mince et à dégel saisonnier, qui alimente en eau les ruisseaux. Sur beaucoup de versants, les éléments de drainage relativement humides appelés chenaux ont des modalités de gel-dégel particulières qui affectent l’écoulement et le stockage des eaux souterraines et par conséquent l’exportation de la chaleur et des solutés vers les cours d’eau de l’Arctique. La présente étude utilise des modèles d’écoulement de l’eau souterraine et de transport de l’énergie pour examiner les contrôles possibles sur le moment et la durée des conditions de gel-dégel et l’amplitude des fluctuations de température dans les chenaux et leurs versants adjacents. La durée simulée de la saison de dégel de la couche active varie d’un mois sur l’ensemble des scénarios modélisés de couverture neigeuse et de température annuelle moyenne de l’air. Le moment et la durée du gel sont particulièrement sensibles à la profondeur et à la durée du couvert neigeux. Ainsi, les couverts neigeux plus épais, qui peuvent s’accumuler dans les chenaux, contribuent à des conditions de dégel qui persistent plus longtemps et à une capacité à conduire l’eau souterraine à l’aval. Une simulation tri-dimensionnelle montre que pendant la saison de dégel estival, le chenal capture latéralement l’eau souterraine de part et d’autre à mi pente du versant. Les modèles présentés ici élucident les mécanismes principaux qui commandent la variation à petite échelle du régime thermique de la couche active des versants de toundra, qui peuvent être à l’origine de changements de la géométrie du réseau de drainage et des flux biogéochimiques de l’Arctique, sous un climat en voie de réchauffement.

Resumen

El permafrost en las cuencas hidrográficas del Ártico limita la actividad biológica del suelo a una capa activa delgada, descongelada estacionalmente, que aporta agua a los ríos. En muchas laderas, los rasgos de drenaje relativamente húmedos llamados vertientes de agua tienen patrones distintivos de congelación-descongelación que afectan al flujo y almacenamiento de aguas subterráneas y, por lo tanto, a la exportación de calor y solutos a los ríos del Ártico. En el presente estudio se utilizan modelos de flujo de aguas subterráneas y de transporte de energía para examinar los posibles controles del tiempo y la duración de las condiciones de congelación-descongelación y la magnitud de las fluctuaciones de temperatura dentro de las vertientes de agua y sus laderas adyacentes. La duración simulada de la temporada de deshielo de la capa activa varía en un mes a lo largo de la variedad de escenarios de cobertura de nieve y temperatura media anual del aire simulados. El tiempo y la duración del deshielo son particularmente sensibles a la profundidad y duración de la cubierta de nieve. Así, las cubiertas de nieve más profundas que pueden acumularse en las vertientes de agua contribuyen a que las condiciones de deshielo sean más persistentes y a que las aguas subterráneas puedan descender. Una simulación tridimensional muestra que durante la temporada de deshielo de verano, la vertiente de agua captura el agua subterránea lateralmente desde la mitad de la ladera. Los modelos presentados aquí dilucidan los mecanismos claves que impulsan la variación a pequeña escala del régimen térmico de la capa activa de las laderas de la tundra, que pueden ser responsables de los cambios en la geometría de la red de drenaje y los flujos biogeoquímicos del Ártico en un clima de calentamiento.

摘要

北极流域的永冻土层将土壤生物活动限制在一个薄的季节性融化的活动层,该层为溪流提供水源。在许多山坡上,被称为水迹的相对湿润的排水特征具有明显的冻融模式,影响了地下水的流动和储存,以及热量和溶质向北极溪流的径流。采用地下水流动和能量传输的模型,本文研究冻融条件时间和持续性的可能控制因素,以及水迹及其邻近山坡内温度波动幅度。经过积雪覆盖及年平均气温情景模拟的范围后,模拟的活动层融化期的长度在1个月。冻结的时间和持续时间对积雪的深度和持续时间特别敏感。因此,较深的积雪覆盖层可以在水迹中积累,有助于它们更持久的解冻条件和提高地下水向下坡流动的能力。三维模拟表明在夏季融雪期水迹从半山腰处接受地下水侧向补给。本文所建立的模型阐明了驱动冻土山坡活动层热态小规模变化的关键机制,这些机制可能是变暖气候下流域-网络几何结构和北极生物地球化学通量变化的原因。

Resumo

Pergelissolos em bacias Árticas limitam a atividade biológica do solo à uma camada ativa fina, sazonalmente descongelada que direciona a água aos canais. Em muitas encostas, as características de drenagem relativamente úmidas chamadas de trilhas de água têm padrões de congelamento-descongelamento distintas que afetam o fluxo e armazenamento das águas subterrâneas, e assim a exportação de calor e solutos para os canais Árticos. Esse estudo utiliza modelos de transporte de energia e fluxo das águas subterrâneas para examinar controles potenciais no tempo e duração das condições de congelamento-descongelamento e a magnitude das flutuações de temperatura nas trilhas de água e duas encostas adjacentes. O comprimento simulado da camada ativa da temporada de descongelamento varia em um mês sobre o alcance dos cenários simulados de cobertura de neve e de média anual da temperatura do ar. O tempo e duração do congelamento é particularmente sensível à profundidade e duração da cobertura de neve. Assim, os montantes de cobertura de neve mais profundos que podem acumular nas trilhas de água contribuem para condições de descongelamento mais persistentes e suas habilidades para conduzir as águas subterrâneas em descendência pelas encostas. Uma simulação tridimensional mostra que durante a temporada de descongelamento do verão, a trilha de água captura as águas subterrâneas lateralmente a partir do meio do caminho através da encosta. Os modelos apresentados aqui elucidam mecanismos chave que conduzem variações em pequena escala no regime termal da camada-ativa das encostas de tundra, que podem ser responsáveis pelas mudanças na geometria das redes de drenagem e fluxos biogeoquímicos no Ártico sob um clima mais quente.