Recent Dynamics of Soil Thermal Regime under Changing Climate in Northern Eurasia

Soil is one of the most critical components in Earth systems in connecting the lithosphere, hydrosphere, atmosphere, and biosphere. The responsiveness of soil temperature to climatic changes has been tackled in a number of studies. However, a timely understanding of the recent shallow–depth soil temperature evolution in response to changing climate and environment at inter-annual time scale over northern Eurasia is inadequate and needed for assessing the land–atmosphere thermal interactions and consequences at a broad spatiotemporal scale. This thesis backs up the aforementioned knowledge gaps by 1) quantifying and contrasting soil temperature changes in northern Eurasia and subregions; 2) investigating discordant changes in soil and air temperatures and their links with environmental changes; 3) assessing and examining the stability of soil–air temperature coupling at an inter-annual time scale and the underlying mechanisms. This thesis demonstrated that shallow–depth soil temperature significantly increased over the region since the 1970s in terms of the annual mean, maximum, and minimum soil temperatures. However, the warming rates were spatially heterogenous at different depths and over the subregions divided by the extent of frozen ground. In the region as a whole, the average increases in the annual mean, maximum and minimum temperatures ranged between 0.30–0.31, 0.33–0.44, and 0.24–0.25 °C/decade, respectively, at multiple depths. As such, the overall faster increase in the annual maximum temperature than minimum temperature led to an increase in intra-annual variability of soil temperature over the years. The soil temperature changes were consistently smaller than the air temperature changes except in the seasonal frost area at a depth of 0.2 m. Such discordant changes in soil and air temperatures led to inter-annual variations of soil–air temperature difference over the period. Furthermore, the environmental changes essentially explained the variability of temperature difference. Among the examined variables, changes in the snow cover characters showed overriding effects. Other environmental changes such as surface net solar radiation, liquid precipitation, and soil moisture had comparatively smaller impacts but still significant, which cannot be ignored at some ground depths. It is also revealed that coupling, which is defined as the linear regression slope between the mean annual soil and air temperatures, was not a stable property and significantly decreased from 1984 to 2013. The declined coupling was likely due to the compound effects of changing thawing/freezing-degree days of air temperature and snow cover characteristics. The findings further question the rationality of using air temperature to proxy soil temperature (or vice versa) at inter-annual and long-term time scales. This thesis provides a thorough picture of the recent shallow–depth soil temperature evolution in response to climate changes and related consequences over northern Eurasia. The findings will help understand land–atmosphere thermal interactions and the role of environmental components at inter-annual and long-term time scales. Considering soil temperature as a critical parameter for Earth systems research, the findings can be referred¬¬ to and implemented for various aims, such as climate projection, land–surface model development, and agricultural management.Maaperä on yksi maapallon kriittisimmistä komponenteista litosfäärin, hydrosfäärin, ilmakehän ja biosfäärin yhdistämisessä. Maaperän lämpötilan reagointi ilmastomuutoksiin on käsitelty useissa tutkimuksissa. Maaperän viimeaikaisen matalan syvyyden lämpötilakehityksen oikea-aikainen ymmärtäminen vastauksena muuttuvaan ilmastoon ja ympäristöön vuosittaisen aikavälin pohjoisosassa Pohjois-Euraasiassa on kuitenkin riittämätöntä ja sitä tarvitaan maan ja ilmakehän lämpövuorovaikutusten ja seurausten arvioimiseksi laaja-alaisella ajallisesti. Tämä opinnäytetyö tukee edellä mainittuja tiedon puutteita 1) määrittelemällä ja vertaamalla maaperän lämpötilan muutoksia Pohjois-Euraasiassa ja osa-alueilla; 2) tutkitaan maaperän ja ilman lämpötilan ristiriitaisia ​​muutoksia ja niiden yhteyttä ympäristömuutoksiin; 3) maaperän ja ilman lämpötilan kytkemisen vakauden arvioiminen ja tutkiminen vuosittaisella aikavälillä ja taustalla olevat mekanismit. Tämä opinnäytetyö osoitti, että matalan syvyyden maaperän lämpötila nousi merkittävästi koko alueella 1970-luvulta lähtien maaperän vuotuisen keskiarvon, maksimi- ja minimilämpötilojen suhteen. Lämpenemisnopeudet olivat kuitenkin spatiaalisesti heterogeenisiä eri syvyydessä ja seutukunnissa jaettuna jäätyneen maan määrällä. Koko alueella keskimääräiset vuotuisen keskimääräisen lämpötilan nousut, maksimilämpötilat ja minimilämpötilat vaihtelivat välillä 0,30–0,31, 0,33–0,44 ja 0,24–0,25 ° C / vuosikymmen vuosineljänneksinä, useissa syvyydessä. Sellaisena vuotuisen maksimilämpötilan nopeampi nousu kuin minimilämpötila johti maaperän lämpötilan vuotuisen vaihtelun lisääntymiseen vuosien varrella. Maaperän lämpötilan muutokset olivat jatkuvasti pienempiä kuin ilman lämpötilamuutokset lukuun ottamatta kausittaista pakkasaluetta 0,2 metrin syvyydessä. Tällaiset maaperän ja ilman lämpötilan vaihtelut johtivat maaperän ja ilman lämpötilaerojen vaihteluihin vuosien välillä. Lisäksi ympäristömuutokset selittivät olennaisesti lämpötilaerojen vaihtelua. Tutkittujen muuttujien joukossa lumipeitteen merkkien muutokset osoittivat pakottavia vaikutuksia. Muilla ympäristömuutoksilla, kuten pinnan nettosäteilyllä, nestemäisellä sademäärällä ja maaperän kosteudella, oli suhteellisen pienet vaikutukset, mutta silti merkittävät vaikutukset, joita ei voida sivuuttaa joillakin maanpinnan syvyyksillä. On myös paljastettu, että kytkentä, joka määritellään maaperän keskimääräisen vuoteen ja ilman lämpötilan välisenä lineaarisena regressiokaltevuutena, ei ollut vakaa ominaisuus ja se laski merkittävästi vuodesta 1984 vuoteen 2013. Aleneva kytkentä johtui todennäköisesti sulamisen muutoksen yhdistelmävaikutuksista. / pakkasasteet ilman lämpötilan ja lumipeitteen ominaisuudet. Tulokset kyseenalaistavat lisäksi ilman lämpötilan käyttämisen järkevyyden maaperän proxy-lämpötilaan (tai päinvastoin) vuosien ja pitkällä aikavälillä. Tämä opinnäytetyö antaa perusteellisen kuvan viimeaikaisesta matalan syvyyden maaperän lämpötilan kehityksestä vastauksena ilmastonmuutoksiin ja niihin liittyviin seurauksiin Pohjois-Euraasiassa. Tulokset auttavat ymmärtämään maa-ilmakehän lämpövuorovaikutuksia ja ympäristökomponenttien roolia vuosien ja pitkällä aikavälillä. Koska maaperän lämpötila on kriittinen parametri Maan systeemitutkimuksessa, havaintoihin voidaan viitata ja toteuttaa useita eri tavoitteita, kuten ilmasto-projektio, maapinta-alan mallin kehittäminen ja maatalouden hallinta