One predicted consequence of global warming is an increased frequency of extreme weather events, such as heat waves, droughts, or heavy rainfalls. In parts of the Arctic, extreme warm spells and heavy rain-on-snow (ROS) events in winter are already more frequent. How these weather events impact snow-pack and permafrost characteristics is rarely documented empirically, and the implications for wildlife and society are hence far from understood. Here we characterize and document the effects of an extreme warm spell and ROS event that occurred in High Arctic Svalbard in January–February 2012, during the polar night. In this normally cold semi-desert environment, we recorded above-zero temperatures (up to 7 °C) across the entire archipelago and record-breaking precipitation, with up to 98 mm rainfall in one day (return period of >500 years prior to this event) and 272 mm over the two-week long warm spell. These precipitation amounts are equivalent to 25 and 70% respectively of the mean annual total precipitation. The extreme event caused significant increase in permafrost temperatures down to at least 5 m depth, induced slush avalanches with resultant damage to infrastructure, and left a significant ground-ice cover (∼5–20 cm thick basal ice). The ground-ice not only affected inhabitants by closing roads and airports as well as reducing mobility and thereby tourism income, but it also led to high starvation-induced mortality in all monitored populations of the wild reindeer by blocking access to the winter food source. Based on empirical-statistical downscaling of global climate models run under the moderate RCP4.5 emission scenario, we predict strong future warming with average mid-winter temperatures even approaching 0 °C, suggesting increased frequency of ROS. This will have far-reaching implications for Arctic ecosystems and societies through the changes in snow-pack and permafrost properties.

Recently accumulated evidence has documented a climate impact on the demography and dynamics of single species, yet the impact at the community level is poorly understood. Here, we show that in Svalbard in the high Arctic, extreme weather events synchronize population fluctuations across an entire community of resident vertebrate herbivores and cause lagged correlations with the secondary consumer, the arctic fox. This synchronization is mainly driven by heavy rain on snow that encapsulates the vegetation in ice and blocks winter forage availability for herbivores. Thus, indirect and bottom-up climate forcing drives the population dynamics across all overwintering vertebrates. Icing is predicted to become more frequent in the circumpolar Arctic and may therefore strongly affect terrestrial ecosystem characteristics.

Abstract Anthropogenic reintroduction can supplement natural recolonisation in reestablishing a species’ distribution and abundance. However, both reintroductions and recolonisations can give rise to population bottlenecks that reduce genetic diversity and increase inbreeding, potentially causing accumulation of genetic load and reduced fitness. Most current populations of the endemic high-arctic Svalbard reindeer ( Rangifer tarandus platyrhynchus ) originate from recent reintroductions or recolonisations following regional extirpations due to past overharvesting. We investigated and compared the genomic consequences of these two paths to reestablishment using whole-genome shotgun sequencing of 100 Svalbard reindeer across their range. We found little admixture between reintroduced and natural populations. Two reintroduced populations, each founded by 12 individuals around four decades (i.e. 8 reindeer generations) ago, formed two distinct genetic clusters. Compared to the source population, these populations showed only small decreases in genome-wide heterozygosity and increases in inbreeding and lengths of runs of homozygosity. In contrast, the two naturally recolonised populations without admixture possessed much lower heterozygosity, higher inbreeding, and longer runs of homozygosity, possibly caused by serial population bottlenecks and/or fewer or more genetically related founders than in the reintroduction events. Naturally recolonised populations can thus be more vulnerable to the accumulation of genetic load than reintroduced populations. This suggests that in some organisms even small-scale reintroduction programs based on genetically diverse source populations can be more effective than natural recolonisation in establishing genetically diverse populations. These findings warrant particular attention in the conservation and management of populations and species threatened by habitat fragmentation and loss.

Overharvest can severely reduce the abundance and distribution of a species and thereby impact its genetic diversity and threaten its future viability. Overharvest remains an ongoing issue for Arctic mammals, which due to climate change now also confront one of the fastest changing environments on Earth. The high-Arctic Svalbard reindeer (Rangifer tarandus platyrhynchus), endemic to Svalbard, experienced a harvest-induced demographic bottleneck that occurred during the 17-20th century. Here we investigate changes in genetic diversity, population structure and gene-specific differentiation during and after this overharvesting event. Using whole-genome shotgun sequencing, we generated the first ancient nuclear (n = 11) and mitochondrial (n = 18) genomes from Svalbard reindeer (up to 4000 BP) and integrated these data with a large collection of modern genome sequences (n = 90), to infer temporal changes. We show that hunting resulted in major genetic changes and restructuring in reindeer populations. Near-extirpation and 400 years of genetic drift have altered the allele frequencies of important genes contributing to diverse biological functions. Median heterozygosity was reduced by 23%, while the mitochondrial genetic diversity was reduced only to a limited extent, likely due to low pre-harvest diversity and a complex post-harvest recolonization process. Such genomic erosion and genetic isolation of populations due to past anthropogenic disturbance will likely play a major role in metapopulation dynamics (i.e., extirpation, recolonization) under further climate change. Our results from a high-arctic case study therefore emphasize the need to understand the long-term interplay of past, current, and future stressors in wildlife conservation.