Biosphärenmodellierung in der globalen Impaktforschung

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1 Biosphärenmodellierung in der globalen Impaktforschung Dr. Dieter Gerten Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) Telegrafenberg A Potsdam

2 Konzeptionelles Erdsystemmodell n. NRC 1999

3 Abstammungslinien einiger Biosphärenmodelle Biogeography Holdridge, Woodward (1987), MAPSS, BIOME (Prentice et al 1992) tree species biogeography STASH Sykes et al (1996) Biosphere Biogeochemistry CENTURY, G DAY, TEM,... BIOME-BGC, PGEN, DEMETER BIOME3 (Haxeltine & Prentice 1996) Dynamic global (DGVMs) IBIS, HYBRID, SDGVM, TRIFFID, MC1 LPJ (Sitch et al. 2000, 2003, GCB 9: ) Forest dynamics JABOWA, FORET, LINKAGES, SORTIE, FORSKA (Leemans & Prentice 1989) FORSKA2 (Prentice, Sykes, Cramer 1993) General ecosystem model GUESS (Smith et al 2001, GEB 10: ) LPJ-GUESS

4 Vegetationszonen der Erde

5 Prozesse in heutigen Biosphärenmodellen Evolution Biosphäre Ökosysteme Pflanzen Kohlenstoffallokation, Wachstum Globale Biogeochemie Störungen und Sukzession Sturm, Feuer Geographische Vegetationsverbreitung Blätter Stoffwechsel der Pflanzen Konkurrenz um Ressourcen, ökologische Strategien Zellen Moleküle Photosynthese Sekunden Minuten Stunden Jahre Jahrzehnte Jahrhunderte

6 LPJ: Lund Potsdam Jena Dynamisches Globales Vegetationsmodell Monatswerte Temperatur, Niederschlag, Strahlung CRU Jahreswerte [CO 2 ] Jahreswerte Landnutzung Ramankutty & Foley 1999 IMAGE2 HYDE Bodendaten (FAO) Sitch et al Gerten et al Bondeau et al x 0.5 global täglicher bis jährlicher Zeitschritt

7 PNV fraction flowdirection River Routing Evaporation, Transpiration, Interception PNV 9 PFTs CO 2, radiation, temperature, precipitation, soiltexture, PET, PAR Soil Temperature Soil Respiration Irrigated crops Vegetation Dynamics Mortality Fire Light competition Establishment Turnover information physical flow input water carbon Internal computation of PET and PAR Atmosphere Potential Photosynthesis Soilwater Actual Photosynthesis Plant Respiration Net Primary Production Allocation Carbon Pools Vegetation Litter Soil Crops fpar nat. veg. fpar crops Phenology Agriculture 11 CFTs, Pasture Production Management Harvest Grazing Residue management Intercrops management T CFT fraction 0.5 x 0.5 global tägl. Zeitschritt

8 Modellierte Vegetationsverteilung und -entwicklung Tropical Forest Temperate Forest Boreal Forest Savannah Percent Cover Percent Cover Grassland Percent Cover Percent Cover Percent Cover

9 Biomass Net Primary Production Simulationsergebnisse Soil Carbon Fire Frequency Thonicke et al., 2001 Soil Carbon Change Sitch et al., 2003

10 Baumbedeckungsgrad (südl. Afrika) Realität LPJ-Modell (pot. Veg ) 0-10 % % % % % % % % % %

11 Early Spring Greening LPJ reproduziert satellitenbeobachteten Aufgrünungs -Trend und Pinatubo-Effekt (Lucht et al., 2002)

12 Wasserhaushalt gekoppelt mit Vegetation und Kohlenstoffhaushalt Lufttemperatur, Niederschlag, Sonnenscheindauer (tägl.) Einfallende Strahlung, pot. Evapotranspiration (tägl.) CO 2 H 2 O Vegetationsstruktur, -funktion und -dynamik Regen Schnee Photosynthese Wasservorrat Interzeptions- Verluste Transpiration Phänologie Bodenfeuchtestatus Feuer Evaporation Perkolation Schneeschmelze Oberfl.-Abfluss Unterird. Abfluss Permafrost-Dynamik

13 Hydrologische Validierung von LPJ I 1500 Abfluss LPJ LPJ Obs 3 globale hydrolog. Modelle Asia North America Africa 1000 Messungen (Cogley, 1998) Gerten et al J F MAMJ J A SOND Bodenfeuchte Wagner et al Korrelationskoeffizient simulierte monatl. Bodenfeuchte vs. satellitengestützter Feuchteindex

14 Hydrologische Validierung von LPJ II Messungen: LPJ-Simulationen: weiß schwarz Evapotranspiration - Standorte Flakaliden N, E Aberfeldy N, 3.8 W Weidenbrunnen N, E Hyytiälä N, E Braschaat 51.3 N, 4.52 E Tharandt N, E Gerten et al., 2004

15 und die Zukunft?

16 Niederschlagsprojektionen verschiedener GCMs zu IS92a- Scenario (1% GHG Increase) Schaphoff et al., 2006

17 Kohlenstoffspeicheränderungen bis 2100 Schaphoff et al., 2006

18 Bodenfeuchteänderungen bis 2100 ECHAM4 HadCM3 CSIRO Trockener CGCM1 Nasser

19 Wasserlimitation der Biosphäre Anstieg Rückgang n.s. Gerten et al. 2005

20 Änderung der Bruttoprimärproduktion Hitzesommer 2003 A. Bondeau, unpublished

21 Änderungen der Ökosystemstruktur bis 2100 UNSEG 2006

22 U. Heyder, unpublished

23 Arctic Ecosystem Loss Montane Ecosystem Loss (heat stress, ice/snow loss) Boreal Forest Die-Back (heat stress, grassland increase) Tree-Line Shift Greenup (T, soil moisure, fire ) Lucht, Prentice & Tipping Point Workshop Biosphere Group, 2005 Entwurf! Coastal Zone Die-Backs (anoxia, acidification, coral bleaching) Surface Ocean Ecosystem Degradation (acidification, stratification ) Deep Ocean Extinctions (heat stress) Tropical Forest Die-Back (precip, drought stress) Semi-Arid Land Aridification (precip, drought stress) Woody Encroachment (CO2, water use efficiency ) Semi-Arid Land Greening (CO2, water use efficiency, precip )

24 Biosphäre Hydrosphäre Atmosphäre Anthroposphäre

25 Verbreitung der landwirtschaftlichen Nutzfläche Mio. km Landwirtschaftliche Nutzfläche, Ramankutty & Foley 1999 Bewässerung, Döll & Siebert 2002

26 Landwirtschaftliche Nutzflächen in LPJ Anteil d. Landnutzung Mosaik aus landwirtsch. u. natürlicher Vegetation Prozessbasierte Beschreibung Boden und Vegetation Prozessbasierte funktionale Landnutzungstypen Ernte, Rückstände Aussaat- und Erntedatum berechnet Rotation Weideland Bewässerung Klima- u. CO -Änderung LPJ Landnutzungswandel

27 Durchfluss und Bewässerung in LPJ Mittlerer jährlicher Durchfluss [10 6 m 3 /0.5 Gitterzelle]

28 Bewässerung in LPJ Interception loss, E I Transpiration, Conveyance loss, L C Fraction of incoming blue irrigation water, fb in Rain Irrigation E T Evaporation, E S Livestock Household Atmospheric water demand, D Net irrigation Reservoirs, requirement, NIR Gross irrigation Lakes Project requirement, GIR efficiency, e P Plant water Discharge supply, Sy Surface runoff, R Industry Percolation, p Fraction of blue irrigation water, fb Subsurface runoff, R

29 Bewässerte und nicht bewässerte Landwirtschaft

30 Einfluss von Landnutzungsänderungen Differenz Transpiration (mm a 1 ) i.vgl. zu potentieller Vegetation, mm yr 1 Gerten et al. 2005a Globale Änderungen: Evapotranspiration: 1 % Abfluss : + 4 %

31 Mögliche Zukünfte der globalen Landwirtschaftsfläche?! abhängig von: Bevölkerung Lebensstilen Bewässerung Technologie Urbarem Land Naturschutzgebieten Klimawandel Wasserverfügbarkeit

32 Biogeochemical Cycles Harvesting Planting Trade Food Life Styles Fiber Irrigation Policies Water Opinions