Veränderung der C-Band Rückstreuung nach Waldbränden in arktischen Permafrostregionen

Abstract

Große Teile der Permafrostregionen sind von Bränden betroffen. Waldbrände in diesen Regionen haben sowohl unmittelbare als auch langfristige Auswirkungen. Waldbrände verursachen Störungen, die sich über viele Jahre auf den darunter liegenden Permafrost auswirken. Das gestörte Gebiet kann noch Jahre nach dem Brandereignis veränderte Schnee- und Bodeneigenschaften aufweisen. C-Band-SAR-Beobachtungen haben sich als äußerst wertvoll für die Identifizierung von Schneestrukturveränderungen in der Arktis erwiesen. Die Aufnahmen unter gefrorenen Bedingungen spiegeln die Oberflächenrauheit und Volumenstreuung wider, aus denen Schnee, Bodenrauheit sowie Vegetationseigenschaften abgeleitet werden können. Das Ziel dieser Studie besteht darin, die Veränderungen der C-Band-Winterrückstreuung im Laufe der Jahre seit einem Brand für eine größere Region und Stichprobengröße zu untersuchen.Im Mittelpunkt steht die Anwendung von Sentinel-1 Synthetic Aperture Radar (SAR) mit einem Space-for-Time Konzept. Es erfolgt ein Vergleich von Brandnarben unterschiedlichen Alters auf der Grundlage der seit 2016 verfügbaren Sentinel-1-Aufnahmen.In einer ersten Untersuchung wurden verschiedene Testgebiete in der gesamten Arktisregion ausgewählt und Brandgebiete bis zurück aus den 1940er Jahren werden berücksichtigt. Darüber hinaus werden Referenzflächen in störungsfreien Gebieten zur Analyse herangezogen. Die Identifizierung und der Zeitpunkt von Brandereignissen wurden anhand von Satellitendaten der AVHRR- und MODIS-Sensoren bestimmt. Während der Auswertung anhand von hochauflösenden Satellitenbildern wurde deutlich, dass präzisere Angaben zum Brandort unumgänglich sind. Die bereitgestellten Daten durch den Einsatz von AVHRR und MODIS waren aufgrund ihrer begrenzten Qualität und Auflösung nicht zufriedenstellend.Detailliertere Informationen über die Brände können durch die Alaska Large Fire Database erlangt werden. Aus diesem Grund wurde das Untersuchungsgebiet schließlich auf Alaska beschränkt. Mehrere Standorte in ganz Alaska wurden ausgewählt, basierend auf einem Permafrostanteil von über 70%, den Vegetationstypen und den Jahren seit dem Brandereignis.Frühere Studien haben gezeigt, dass meteorologische Bedingungen während Sentinel-1-Aufnahme die C-Band-Rückstreuung erheblich beeinflussen können. Um die Auswirkungen von Niederschlägen, insbesondere Rain-on-snow, und den Einfluss der Lufttemperatur abzuschwächen, wurden die Sentinel-1-Daten (C-Band-Rückstreuung) nach Zeit- und Temperaturkriterien gefiltert. Für die Analyse wurde die 2-Meter-Lufttemperatur aus der Copernicus ERA5-Reanalyse mit einer Temperaturuntergrenze von -15 °C verwendet. Eine Temperaturobergrenze von -1,5 °C wurde verwendet, um den Einfluss von flüssigem Wasser zu minimieren. Zur Auswahl der Untersuchungsgebiete wurden zwei Punkte mit ähnlicher Vegetation ausgewählt, wobei sich ein Punkt innerhalb des verbrannten Gebiets und der andere in ungestörten Regionen (sogenannte Referenzgebiete) befand. Die Analyse wurde für einen Bereich mit einer Größe von 10 x 10 m durchgeführt und die Rückstreuwerte wurden für jeden dieser Bereich gemittelt.Die Ergebnisse zeigen, dass Waldbrände einen langfristigen Einfluss auf die C-Band-Rückstreuung haben könnten, der aus veränderten Schneeeigenschaften resultiert. Auch nach der Vegetationserholung zeigen Gebiete mit Waldbrandereignissen eine stärkere C-Band-Rückstreuung in VV-Polarisation als die Referenzgebiete.In der arktischen Region ist der Einsatz von Fernerkundungstechniken zur Datenerfassung aufgrund der enormen Fläche in der Forschung von entscheidender Bedeutung. Es wurde festgestellt, dass Waldbrände weite Auswirkungen haben, die über die Wiederherstellung der Vegetation hinausgehen. Daher ist es wichtig, diesen Einfluss bei der Anwendung von C-Band-Winterrückstreuung zu berücksichtigen und so eine unvoreingenommene Ergebnisgewinnung zu gewährleisten.Im Rahmen der Untersuchung wurden Trends in Regionen beobachtet, die durch kontinuierlichen Permafrost gekennzeichnet sind. Jedoch sind weitere Untersuchungen in verschiedenen Regionen und Gebieten mit unterschiedlichen Permafrostanteilen notwendig, um das Verständnis der Auswirkungen von Waldbränden zu verbessern.

Large areas of the permafrost region are affected by fires. Wildfires in permafrost regions have both immediate and long-term effects. These disturbances caused by wildfires affect the underlaying permafrost over many years. Impacts can be even observed in wintertime, under frozen conditions. The disturbed area may show altered snow and soil properties, even years after the fire event. C-band SAR observations have been proven of high value for identifying snow structure change across the Arctic. Acquisitions under frozen conditions reflect surface roughness and volume scattering, from which snow, soil roughness as well as vegetation properties can be derived. The purpose of this study is to investigate C-band winter backscatter changes with years since fire for a larger region and sample size. Focus is on the use of Sentinel-1 (Synthetic Aperture Radar) following a space for time substitution method. Fire scars of different ages are compared for Sentinel-1 acquisitions available since 2016.In an initial investigation, multiple test areas were chosen across the Arctic region. Burned areas are considered starting from the 1940s. In addition, reference areas in non-disturbed areas are analyzed for comparison. The identification and timing of fire occurrences were determined using satellite data obtained from the AVHRR and MODIS sensors. Throughout the evaluation process using high-resolution satellite images, it became evident that more precise information about the fire location was important. The resolution and quality of the data provided through use of AVHRR and MODIS was not sufficient.The Alaska Large Fire Database offers higher detail. Therefor the investigation area was eventually restricted to Alaska. Several sites across Alaska were chosen, based on permafrost fraction (>70%), vegetation types and year since the fire event. Previous studies have demonstrated that meteorological conditions during C-VV acquisitions can significantly impact C-Band backscatter. To mitigate the effects of precipitation, specifically rain-on-snow, and the influence of air temperature, the Sentinel-1 (C-Band backscatter) data was filtered based on time and temperature criteria. The 2-meter air temperature from Copernicus ERA5 reanalysis was utilized, with a threshold set at temperatures higher than -15°C. Additionally, a maximum temperature limit of -1.5°C was implemented to minimize the influence of liquid water.For each study area, two points with similar vegetation were selected, with one point located within the burned area and the other in undisturbed regions (referred to as reference areas). The analysis was conducted for 10 x 10 m windows, and the data were averaged for each area.Results demonstrate that there is a long-term influence of wildfires on C-band backscatter, what might result from altered snowpack properties. Even after the recovery of the vegetation, areas of wildfire events show a stronger C-band backscatter in VV-polarization than in the reference areas.In Arctic regions, the utilization of remote sensing techniques for data collection plays a crucial role in research due to the large area. It has been observed that wildfires have far-reaching effects that extend beyond vegetation recovery, emphasizing the need to consider this influence in applications which utilize C-band winter backscatter to ensure unbiased results.During the evaluation process, trends were observed in regions characterized by continuous permafrost. However, it is essential to conduct further investigations in other regions and areas with varying permafrost fractions, to improve the knowledge of the impacts of wildfires.