Permafrost warming has the potential to amplify global climate change, because when frozen sediments thaw it unlocks soil organic carbon. Yet to date, no globally consistent assessment of permafrost temperature change has been compiled. Here we use a global data set of permafrost temperature time series from the Global Terrestrial Network for Permafrost to evaluate temperature change across permafrost regions for the period since the International Polar Year (2007-2009). During the reference decade between 2007 and 2016, ground temperature near the depth of zero annual amplitude in the continuous permafrost zone increased by 0.39 ± 0.15 °C. Over the same period, discontinuous permafrost warmed by 0.20 ± 0.10 °C. Permafrost in mountains warmed by 0.19 ± 0.05 °C and in Antarctica by 0.37 ± 0.10 °C. Globally, permafrost temperature increased by 0.29 ± 0.12 °C. The observed trend follows the Arctic amplification of air temperature increase in the Northern Hemisphere. In the discontinuous zone, however, ground warming occurred due to increased snow thickness while air temperature remained statistically unchanged.

We present a review of the changing state of European permafrost within a spatial zone that includes the continuous high latitude arctic permafrost of Svalbard and the discontinuous high altitude mountain permafrost of Iceland, Fennoscandia and the Alps. The paper focuses on methodological developments and data collection over the last decade or so, including research associated with the continent-scale network of instrumented permafrost boreholes established between 1998 and 2001 under the European Union PACE project. Data indicate recent warming trends, with greatest warming at higher latitudes. Equally important are the impacts of shorter-term extreme climatic events, most immediately reflected in changes in active layer thickness. A large number of complex variables, including altitude, topography, insolation and snow distribution, determine permafrost temperatures. The development of regionally calibrated empirical-statistical models, and physically based process-oriented models, is described, and it is shown that, though more complex and data dependent, process-oriented approaches are better suited to estimating transient effects of climate change in complex mountain topography. Mapping and characterisation of permafrost depth and distribution requires integrated multiple geophysical approaches and recent advances are discussed. We report on recent research into ground ice formation, including ice segregation within bedrock and vein ice formation within ice wedge systems. The potential impacts of climate change on rock weathering, permafrost creep, landslides, rock falls, debris flows and slow mass movements are also discussed. Recent engineering responses to the potentially damaging effects of climate warming are outlined, and risk assessment strategies to minimise geological hazards are described. We conclude that forecasting changes in hazard occurrence, magnitude and frequency is likely to depend on process-based modelling, demanding improved understanding of geomorphological process-response systems and their impacts on human activity.

Abstract This paper provides a snapshot of the permafrost thermal state in the Nordic area obtained during the International Polar Year (IPY) 2007–2009. Several intensive research campaigns were undertaken within a variety of projects in the Nordic countries to obtain this snapshot. We demonstrate for Scandinavia that both lowland permafrost in palsas and peat plateaus, and large areas of permafrost in the mountains are at temperatures close to 0°C, which makes them sensitive to climatic changes. In Svalbard and northeast Greenland, and also in the highest parts of the mountains in the rest of the Nordic area, the permafrost is somewhat colder, but still only a few degrees below the freezing point. The observations presented from the network of boreholes, more than half of which were established during the IPY, provide an important baseline to assess how future predicted climatic changes may affect the permafrost thermal state in the Nordic area. Time series of active‐layer thickness and permafrost temperature conditions in the Nordic area, which are generally only 10 years in length, show generally increasing active‐layer depths and rising permafrost temperatures. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

One of the few long instrumental records available for the Arctic is the Svalbard Airport composite series that hitherto began in 1911, with observations made on Spitsbergen, the largest island in the Svalbard Archipelago. This record has now been extended to 1898 with the inclusion of observations made by hunting and scientific expeditions. Temperature has been observed almost continuously in Svalbard since 1898, although at different sites. It has therefore been possible to create one composite series for Svalbard Airport covering the period 1898–2012, and this valuable new record is presented here. The series reveals large temperature variability on Spitsbergen, with the early 20th century warming as one striking feature: an abrupt change from the cold 1910s to the local maxima of the 1930s and 1950s. With the inclusion of the new data it is possible to show that the 1910s were colder than the years at the start of the series. From the 1960s, temperatures have increased, so the present temperature level is significantly higher than at any earlier period in the instrumental history. For the entire period, and for all seasons, there are positive, statistically significant trends. Regarding the annual mean, the total trend is 2.6°C/century, whereas the largest trend is in spring, at 3.9°C/century. In Europe, it is the Svalbard Archipelago that has experienced the greatest temperature increase during the latest three decades. The composite series may be downloaded from the home page of the Norwegian Meteorological Institute and should be used with reference to the present article.Keywords: Arctic; homogenization; Spitsbergen; Svalbard; temperature records; temperature trends.(Published: 22 January 2014)To access the supplementary material for this article, please see Supplementary files in the column to the right (under Article Tools).Citation: Polar Research 2014, 33, 21349, http://dx.doi.org/10.3402/polar.v33.21349

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.

Abstract Spitsbergen has experienced some of the most severe temperature changes in the Arctic during the last three decades. This study relates the recent warming to variations in large‐scale atmospheric circulation (AC), air mass characteristics, and sea ice concentration (SIC), both regionally around Spitsbergen and locally in three fjords. We find substantial warming for all AC patterns for all seasons, with greatest temperature increase in winter. A major part of the warming can be attributed to changes in air mass characteristics associated with situations of both cyclonic and anticyclonic air advection from north and east and situations with a nonadvectional anticyclonic ridge. In total, six specific AC types (out of 21), which occur on average 41% of days in a year, contribute approximately 80% of the recent warming. The relationship between the land‐based surface air temperature (SAT) and local and regional SIC was highly significant, particularly for the most contributing AC types. The high correlation between SAT and SIC for air masses from east and north of Spitsbergen suggests that a major part of the atmospheric warming observed in Spitsbergen is driven by heat exchange from the larger open water area in the Barents Sea and region north of Spitsbergen. Finally, our results show that changes in frequencies of AC play a minor role to the total recent surface warming. Thus, the strong warming in Spitsbergen in the latest decades is not driven by increased frequencies of “warm” AC types but rather from sea ice decline, higher sea surface temperatures, and a general background warming.

Abstract The Arctic is warming rapidly, with winters warming up to seven times as fast as summers in some regions. Warm spells in winter lead to more frequent extreme rain-on-snow events that alter snowpack conditions and can encapsulate tundra vegetation in ‘basal ice’ (‘icing’) for several months. However, tundra climate change studies have mainly focused on summer warming. Here, we investigate icing effects on vascular plant phenology, productivity, and reproduction in a pioneer field experiment in high Arctic Svalbard, simulating rain-on-snow and resultant icing in five consecutive winters, assessing vascular plant responses throughout each subsequent growing season. We also tested whether icing responses were modified by experimentally increased summer temperatures. Icing alone delayed early phenology of the dominant shrub, Salix polaris , but with evidence for a ‘catch-up’ (through shortened developmental phases and increased community-level primary production) later in the growing season. This compensatory response occurred at the expense of delayed seed maturation and reduced community-level inflorescence production. Both the phenological delay and allocation trade-offs were associated with icing-induced lags in spring thawing and warming of the soil, crucial to regulating plant nutrient availability and acquisition. Experimental summer warming modified icing effects by advancing and accelerating plant phenology (leaf and seed development), thus increasing primary productivity already early in the growing season, and partially offsetting negative icing effects on reproduction. Thus, winter and summer warming must be considered simultaneously to predict tundra plant climate change responses. Our findings demonstrate that winter warm spells can shape high Arctic plant communities to a similar level as summer warming. However, the absence of accumulated effects over the years reveals an overall resistant community which contrasts with earlier studies documenting major die-off. As rain-on-snow events will be rule rather than exception in most Arctic regions, we call for similar experiments in coordinated circumpolar monitoring programmes across tundra plant communities.

Abstract —J. Blunden and T. Boyer In 2023, La Niña conditions that generally prevailed in the eastern Pacific Ocean from mid-2020 into early 2023 gave way to a strong El Niño by October. Atmospheric concentrations of Earth’s major greenhouse gases—carbon dioxide, methane, and nitrous oxide—all increased to record-high levels. The annual global average carbon dioxide concentration in the atmosphere rose to 419.3±0.1 ppm, which is 50% greater than the pre-industrial level. The growth from 2022 to 2023 was 2.8 ppm, the fourth highest in the record since the 1960s. The combined short-term effects of El Niño and the long-term effects of increasing levels of heat-trapping gases in the atmosphere contributed to new records for many essential climate variables reported here. The annual global temperature across land and oceans was the highest in records dating as far back as 1850, with the last seven months (June–December) having each been record warm. Over land, the globally averaged temperature was also record high. Dozens of countries reported record or near-record warmth for the year, including China and continental Europe as a whole (warmest on record), India and Russia (second warmest), and Canada (third warmest). Intense and widespread heatwaves were reported around the world. In Vietnam, an all-time national maximum temperature record of 44.2°C was observed at Tuong Duong on 7 May, surpassing the previous record of 43.4°C at Huong Khe on 20 April 2019. In Brazil, the air temperature reached 44.8°C in Araçuaí in Minas Gerais on 20 November, potentially a new national record and 12.8°C above normal. The effect of rising temperatures was apparent in the cryosphere, where snow cover extent by June 2023 was the smallest in the 56-year record for North America and seventh smallest for the Northern Hemisphere overall. Heatwaves contributed to the greatest average mass balance loss for Alpine glaciers around the world since the start of the record in 1970. Due to rapid volume loss beginning in 2021, St. Anna Glacier in Switzerland and Ice Worm Glacier in the United States disappeared completely. In August, as a direct result of glacial thinning over the past 20 years, a glacial lake on a tributary of the Mendenhall Glacier in Alaska burst through its ice dam and caused unprecedented flooding on Mendenhall River near Juneau. Across the Arctic, the annual surface air temperature was the fourth highest in the 124-year record, and summer (July–September) was record warm. Smaller-than-normal snow cover extent in May and June contributed to the third-highest average peak tundra greenness in the 24-year record. In September, Arctic minimum sea ice extent was the fifth smallest in the 45-year satellite record. The 17 lowest September extents have all occurred in the last 17 years. In Antarctica, temperatures for much of the year were up to 6°C above average over the Weddell Sea and along coastal Dronning Maud Land. The Antarctic Peninsula also experienced well-above-average temperatures during the 2022/23 melt season, which contributed to its fourth consecutive summer of above-average surface melt. On 21 February, Antarctic sea ice extent and sea ice area both reached all-time lows, surpassing records set just a year earlier. Over the course of the year, new daily record-low sea ice extents were set on 278 days. In some instances, these daily records were set by a large margin, for example, the extent on 6 July was 1.8 million km 2 lower than the previous record low for that day. Across the global oceans, the annual sea surface temperature was the highest in the 170-year record, far surpassing the previous record of 2016 by 0.13°C. Daily and monthly records were set from March onward, including an historic-high daily global mean sea surface temperature of 18.99°C recorded on 22 August. Approximately 94% of the ocean surface experienced at least one marine heatwave in 2023, while 27% experienced at least one cold spell. Globally averaged ocean heat content from the surface to 2000-m depth was record high in 2023, increasing at a rate equivalent to ∼0.7 Watts per square meter of energy applied over Earth’s surface. Global mean sea level was also record high for the 12th consecutive year, reaching 101.4 mm above the 1993 average when satellite measurements began, an increase of 8.1±1.5 mm over 2022 and the third highest year-over-year increase in the record. A total of 82 named tropical storms were observed during the Northern and Southern Hemispheres’ storm seasons, below the 1991–2020 average of 87. Hurricane Otis became the strongest landfalling hurricane on record for the west coast of Mexico at 140 kt (72 m s −1 ), causing at least 52 fatalities and $12–16 billion U.S. dollars in damage. Freddy became the world’s longest-lived tropical cyclones on record, developing into a tropical cyclone on 6 February and finally dissipating on 12 March. Freddy crossed the full width of the Indian Ocean and made one landfall in Madagascar and two in Mozambique. In the Mediterranean Sea—outside of traditional tropical cyclone basins—heavy rains and flooding from Storm Daniel killed more than 4300 people and left more than 8000 missing in Libya. The record-warm temperatures in 2023 created conditions that helped intensify the hydrological cycle. Measurements of total-column water vapor in the atmosphere were the highest on record, while the fraction of cloud area in the sky was the lowest since records began in 1980. The annual global mean precipitation total over land surfaces for 2023 was among the lowest since 1979, but global one-day maximum totals were close to average, indicating an increase in rainfall intensity. In July, record-high areas of land across the globe (7.9%) experienced extreme drought, breaking the previous record of 6.2% in July 2022. Overall, 29.7% of land experienced moderate or worse categories of drought during the year, also a record. Mexico reported its driest (and hottest) year since the start of its record in 1950. In alignment with hot and prolonged dry conditions, Canada experienced its worst national wildfire season on record. Approximately 15 million hectares burned across the country, which was more than double the previous record from 1989. Smoke from the fires were transported far into the United States and even to western European countries. August to October 2023 was the driest three-month period in Australia in the 104-year record. Millions of hectares of bushfires burned for weeks in the Northern Territory. In South America, extreme drought developed in the latter half of the year through the Amazon basin. By the end of October, the Rio Negro at Manaus, a major tributary of the Amazon River, fell to its lowest water level since records began in 1902. The transition from La Niña to El Niño helped bring relief to the prolonged drought conditions in equatorial eastern Africa. However, El Niño along with positive Indian Ocean dipole conditions also contributed to excessive rainfall that resulted in devastating floods over southeastern Ethiopia, Somalia, and Kenya during October to December that displaced around 1.5 million people. On 5 September, the town of Zagora, Greece, broke a national record for highest daily rainfall (754 mm in 21 hours, after which the station ceased reporting) due to Storm Daniel; this one-day accumulation was close to Zagora’s normal annual total.