Abstract Linkages between diminishing Arctic sea ice and changes in Arctic terrestrial ecosystems have not been previously demonstrated. Here, the authors use a newly available Arctic Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) dataset (a measure of vegetation photosynthetic capacity) to document coherent temporal relationships between near-coastal sea ice, summer tundra land surface temperatures, and vegetation productivity. The authors find that, during the period of satellite observations (1982–2008), sea ice within 50 km of the coast during the period of early summer ice breakup declined an average of 25% for the Arctic as a whole, with much larger changes in the East Siberian Sea to Chukchi Sea sectors (>44% decline). The changes in sea ice conditions are most directly relevant and have the strongest effect on the villages and ecosystems immediately adjacent to the coast, but the terrestrial effects of sea ice changes also extend far inland. Low-elevation (<300 m) tundra summer land temperatures, as indicated by the summer warmth index (SWI; sum of the monthly-mean temperatures above freezing, expressed as °C month−1), have increased an average of 5°C month−1 (24% increase) for the Arctic as a whole; the largest changes (+10° to 12°C month−1) have been over land along the Chukchi and Bering Seas. The land warming has been more pronounced in North America (+30%) than in Eurasia (16%). When expressed as percentage change, land areas in the High Arctic in the vicinity of the Greenland Sea, Baffin Bay, and Davis Strait have experienced the largest changes (>70%). The NDVI has increased across most of the Arctic, with some exceptions over land regions along the Bering and west Chukchi Seas. The greatest change in absolute maximum NDVI occurred over tundra in northern Alaska on the Beaufort Sea coast [+0.08 Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) NDVI units]. When expressed as percentage change, large NDVI changes (10%–15%) occurred over land in the North America High Arctic and along the Beaufort Sea. Ground observations along an 1800-km climate transect in North America support the strong correlations between satellite NDVI observations and summer land temperatures. Other new observations from near the Lewis Glacier, Baffin Island, Canada, document rapid vegetation changes along the margins of large retreating glaciers and may be partly responsible for the large NDVI changes observed in northern Canada and Greenland. The ongoing changes to plant productivity will affect many aspects of Arctic systems, including changes to active-layer depths, permafrost, biodiversity, wildlife, and human use of these regions. Ecosystems that are presently adjacent to year-round (perennial) sea ice are likely to experience the greatest changes.

Numerous studies have evaluated the dynamics of Arctic tundra vegetation throughout the past few decades, using remotely sensed proxies of vegetation, such as the normalized difference vegetation index (NDVI). While extremely useful, these coarse-scale satellite-derived measurements give us minimal information with regard to how these changes are being expressed on the ground, in terms of tundra structure and function. In this analysis, we used a strong regression model between NDVI and aboveground tundra phytomass, developed from extensive field-harvested measurements of vegetation biomass, to estimate the biomass dynamics of the circumpolar Arctic tundra over the period of continuous satellite records (1982–2010). We found that the southernmost tundra subzones (C–E) dominate the increases in biomass, ranging from 20 to 26%, although there was a high degree of heterogeneity across regions, floristic provinces, and vegetation types. The estimated increase in carbon of the aboveground live vegetation of 0.40 Pg C over the past three decades is substantial, although quite small relative to anthropogenic C emissions. However, a 19.8% average increase in aboveground biomass has major implications for nearly all aspects of tundra ecosystems including hydrology, active layer depths, permafrost regimes, wildlife and human use of Arctic landscapes. While spatially extensive on-the-ground measurements of tundra biomass were conducted in the development of this analysis, validation is still impossible without more repeated, long-term monitoring of Arctic tundra biomass in the field.

As the permafrost region warms, its large organic carbon pool will be increasingly vulnerable to decomposition, combustion, and hydrologic export. Models predict that some portion of this release will be offset by increased production of Arctic and boreal biomass; however, the lack of robust estimates of net carbon balance increases the risk of further overshooting international emissions targets. Precise empirical or model-based assessments of the critical factors driving carbon balance are unlikely in the near future, so to address this gap, we present estimates from 98 permafrost-region experts of the response of biomass, wildfire, and hydrologic carbon flux to climate change. Results suggest that contrary to model projections, total permafrost-region biomass could decrease due to water stress and disturbance, factors that are not adequately incorporated in current models. Assessments indicate that end-of-the-century organic carbon release from Arctic rivers and collapsing coastlines could increase by 75% while carbon loss via burning could increase four-fold. Experts identified water balance, shifts in vegetation community, and permafrost degradation as the key sources of uncertainty in predicting future system response. In combination with previous findings, results suggest the permafrost region will become a carbon source to the atmosphere by 2100 regardless of warming scenario but that 65%–85% of permafrost carbon release can still be avoided if human emissions are actively reduced.

Vegetation productivity trends for the Arctic tundra are updated for the 1982–2011 period and examined in the context of land surface temperatures and coastal sea ice. Understanding mechanistic links between vegetation and climate parameters contributes to model advancements that are necessary for improving climate projections. This study employs remote sensing data: Global Inventory Modeling and Mapping Studies (GIMMS) Maximum Normalized Difference Vegetation Index (MaxNDVI), Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) sea-ice concentrations, and Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) radiometric surface temperatures. Spring sea ice is declining everywhere except in the Bering Sea, while summer open water area is increasing throughout the Arctic. Summer Warmth Index (SWI—sum of degree months above freezing) trends from 1982 to 2011 are positive around Beringia but are negative over Eurasia from the Barents to the Laptev Seas and in parts of northern Canada. Eastern North America continues to show increased summer warmth and a corresponding steady increase in MaxNDVI. Positive MaxNDVI trends from 1982 to 2011 are generally weaker compared to trends from 1982–2008. So to better understand the changing trends, break points in the time series were quantified using the Breakfit algorithm. The most notable break points identify declines in SWI since 2003 in Eurasia and 1998 in Western North America. The Time Integrated NDVI (TI-NDVI, sum of the biweekly growing season values of MaxNDVI) has declined since 2005 in Eurasia, consistent with SWI declines. Summer (June–August) sea level pressure (slp) averages from 1999–2011 were compared to those from 1982–1998 to reveal higher slp over Greenland and the western Arctic and generally lower pressure over the continental Arctic in the recent period. This suggests that the large-scale circulation is likely a key contributor to the cooler temperatures over Eurasia through increased summer cloud cover and warming in Eastern North America from more cloud-free skies.

Land cover maps are the basic data layer required for understanding and modeling ecological patterns and processes. The Circumpolar Arctic Vegetation Map (CAVM), produced in 2003, has been widely used as a base map for studies in the arctic tundra biome. However, the relatively coarse resolution and vector format of the map were not compatible with many other data sets. We present a new version of the CAVM, building on the strengths of the original map, while providing a finer spatial resolution, raster format, and improved mapping. The Raster CAVM uses the legend, extent and projection of the original CAVM. The legend has 16 vegetation types, glacier, saline water, freshwater, and non-arctic land. The Raster CAVM divides the original rock-water-vegetation complex map unit that mapped the Canadian Shield into two map units, distinguishing between areas with lichen- and shrub-dominated vegetation. In contrast to the original hand-drawn CAVM, the new map is based on unsupervised classifications of seventeen geographic/floristic sub-sections of the Arctic, using AVHRR and MODIS data (reflectance and NDVI) and elevation data. The units resulting from the classification were modeled to the CAVM types using a wide variety of ancillary data. The map was reviewed by experts familiar with their particular region, including many of the original authors of the CAVM from Canada, Greenland (Denmark), Iceland, Norway (including Svalbard), Russia, and the U.S. The analysis presented here summarizes the area, geographical distribution, elevation, summer temperatures, and NDVI of the map units. The greater spatial resolution of the Raster CAVM allowed more detailed mapping of water-bodies and mountainous areas. It portrays coastal-inland gradients, and better reflects the heterogeneity of vegetation type distribution than the original CAVM. Accuracy assessment of random 1-km pixels interpreted from 6 Landsat scenes showed an average of 70% accuracy, up from 39% for the original CAVM. The distribution of shrub-dominated types changed the most, with more prostrate shrub tundra mapped in mountainous areas, and less low shrub tundra in lowland areas. This improved mapping is important for quantifying existing and potential changes to land cover, a key environmental indicator for modeling and monitoring ecosystems. The final product is publicly available at www.geobotany.uaf.edu and at Mendeley Data, DOI: 10.17632/c4xj5rv6kv.1.

Changing precipitation patterns in the Arctic is a key indicator of climate change, in addition to increasing land and ocean temperatures, but these patterns are not uniform across the circumpolar region. This regional analysis focuses on the Yukon–Kuskokwim Delta in southwestern Alaska and addresses the following questions: (1) What is the baseline hydroclimatology during the growing season on the Yukon–Kuskokwim Delta? (2) What are the seasonal and intraseasonal trends of the hydroclimate variables in the YKD? (3) What are the implications of documented trends for the study region? Utilizing ECMWF’s ERA5 reanalysis dataset, we conducted a seasonal analysis for May through September for the years 1982–2022. While no strong trend emerged for total precipitation over the 41-year study period, differing trends were observed for large-scale and convective precipitation. The decline in large-scale precipitation is supported by a decrease in storm counts in the Bering Sea, as well as declining vertically integrated moisture convergence and moisture flux. By contrast, the increase in convective precipitation underscores the growing importance of the local hydrologic cycle, further supported by a significant rise in evaporation. These enhanced local hydroclimatological cycles have significant implications for wildfires and subsistence activities.