A new method for analysing and representing ground temperature variations in cold environments. The Fuegian Andes, Tierra del Fuego, Argentina

Abstract

The thermal response of soils in cold environments has been investigated in numerous studies. The data considered here were obtained in a study carried out in Tierra del Fuego, Argentina, as part of the IV International Polar Year. Temperature sensors were installed at ground level (0) and depths of -10, -20 and -60 cm in the study area, with the aim of characterizing the thermal response by detecting diurnal and annual variations. The study has two main aims. The first is to present and discuss the study findings regarding the thermal response of a soil in a sub-Antarctic environment by using classical descriptive analysis. The second, closely related, aim is to apply some novel statistical tools that would help improve this description. The study of freeze-thaw patterns can be approached from a non-parametric perspective, while taking into account the cyclical nature of the data. Data are considered cyclical when they can be represented on a unit circle, as with the hours in which certain events occur throughout a day (e.g. freezing and thawing). Analysis of this type of data is very different from the analysis of scalar data, as regards both descriptive and graphical measures. The application in this study of methods used to represent and analyse cyclical data improved visualization of the data and interpretation of the analytical findings. The main contribution of the present study is the use of estimators of the nuclear type density and derived techniques, such as the CircSiZer map, which enabled identification of significant freeze-thaw patterns. In addition, the relationships between the temperature recordings at different points were analysed using Taylor diagramsLos resultados de las investigaciones sobre la respuesta térmica del suelo en ambientes fríos han sido recogidos en un gran número de artículos. Las muestras de datos consideradas en este trabajo pertenecen también a un ambiente frío y se han obtenido de una investigación realizada en Tierra del Fuego, Argentina, bajo los auspicios del Año Polar Internacional. Con el fin de caracterizar la respuesta térmica, se instalaron diferentes sensores de temperatura a 0, -10, -20 y -60 cm de profundidad, permitiendo la detección de variaciones anuales y diarias. Este trabajo persigue un doble objetivo. Por un lado, la presentación de resultados y discusión sobre los mismos en relación al comportamiento térmico del suelo en un ambiente subantártico. Por otro lado, y apoyando al objetivo anterior, se introducen algunas herramientas estadísticas novedosas en este contexto, si bien el estudio se acompaña de análisis descriptivos clásicos. El estudio de patrones de congelación y descongelación puede enfocarse desde una perspectiva no paramétrica, a la vez que se tiene en cuenta la naturaleza circular (cíclica) de los datos. Una muestra de datos se considera circular cuando puede representarse sobre un círculo de radio unidad. Esto ocurre, por ejemplo, con las horas en las que suceden determinados eventos a lo largo de un día (por ejemplo, congelaciones y descongelaciones). El análisis de este tipo de datos es radicalmente distinto del que se realiza sobre datos escalares, tanto en lo que se refiere a medidas descriptivas como a métodos gráficos. El uso de representaciones y herramientas propias del análisis de datos circulares realizado en este trabajo permite una mejor visualización de los datos y de los resultados de su análisis. Como principal aportación, cabe destacar el uso de estimadores de la densidad tipo núcleo y técnicas derivadas, como el mapa CircSiZer, que identifica patrones significativos de congelación/descongelación. Además, el análisis de las relaciones entre registros de temperaturas en distintos puntos se presenta a través del uso de Diagramas de Taylor