Untitled - ETH E

DISS. ETH NO. 23168
E VA L U AT I N G A N D C O N S T R A I N I N G
TERRESTRIAL CARBON FLUXES IN REGIONAL
A N D G L O B A L E A RT H S Y S T E M M O D E L S
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
stefanos mystakidis
msc environmental physics
msc meteorology, climatology and atmospheric environment
aristotle university of thessaloniki
born 11 July 1986
citizen of GREECE
accepted on the recommendation of
prof. dr. sonia i. seneviratne, examiner
prof. dr. nicolas gruber guyan, co-examiner
dr. edouard l. davin, co-examiner
dr. philippe peylin, co-examiner
2016
ABSTRACT
During the last two centuries, the rapid growth in anthropogenic emissions
of CO2 , other greenhouse gases and aerosols have caused climate change and
set in motion global-scale perturbations of the biogeochemical cycles on land
and in the oceans. Currently, the terrestrial biosphere mitigates climate change
by absorbing about a third of the anthropogenic CO2 emissions. Nevertheless,
this inherent ecosystem service is expected to be weakened in response to climate change. In particular, future water availability could become one of the
main limiting factors of ecosystem productivity. Hence, it is critical to study
the role of soil moisture and its variations on the terrestrial carbon cycle. Earth
System Models (ESMs) can help to study these interactions and simulate the
response of the terrestrial biosphere to future changes in atmospheric CO2 concentration and climate. A number of recent model intercomparison studies have
highlighted the wide inter-model spread in the simulated contemporary and
especially in the projected changes in the terrestrial carbon cycle. Uncertainties
in these projections are so large that even the possibility for the terrestrial biosphere to be turned as a carbon source by the end of the century cannot be
excluded. In view of these large uncertainties the goal of this thesis is first to
combine models and observations to better constrain terrestrial carbon cycle
projections and feedbacks and second to advance our understanding of the key
influence of soil moisture dynamics on the carbon cycle.
In the first part of this thesis (Chapter 2 and 3), future terrestrial carbon cycle projections from state-of-the-art ESMs used in the Intergovernmental Panel
on Climate Change (IPCC) Fifth Assessment Report (AR5) are constrained using observation-based products. First, emergent relationships are established
between present-day Evapotranspiration (ET) and Gross Primary Productivity
(GPP) and the projected long-term changes in GPP in the CMIP5 models (Chapter 2). These relationships, combined with the individual model’s performance
in simulating present-day GPP and ET, are used to constrain future GPP, as
well as to quantify the consequences for the future land sink (Net Biome Productivity; NBP). The latter is supported by the strong inter-model relationship
between the changes in NBP and the changes in GPP in the CMIP5 models. In
ca. 80% of the global land area, the observation-based constraints lead to a substantial decrease of the projected GPP and up to 50% lower inter-model spread.
The results for NBP suggest about 30% lower inter-model spread followed by a
substantial decrease in the ability of ecosystems to sequester carbon. In some of
the constrained ensemble members, the terrestrial biosphere even turns into a
net carbon source by 2100.
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A similar strategy is then used to provide constraints on the feedbacks between
the terrestrial carbon cycle, the atmospheric CO2 concentration and climate
change (Chapter 3). Strong emergent relationships are identified between the
global climate-land carbon feedback and the year-to-year variations in presentday GPP, ET, NBP, as well as the response of NBP to contemporary variations
in temperature and precipitation. Constraining the ESMs based on their ability
to simulate present-day variations in ET, NBP, as well as the response of NBP to
variations in temperature and precipitation leads to up to 40% lower response
of the terrestrial carbon cycle to climate change and to a substantial reduction
(more than 50%) in the inter-model spread. The consequences of the constrained
climate-carbon feedback on the concentration-carbon feedback lead to a ca. 30%
reduction in its strength and to a substantial reduction (ca. 40%) in the intermodel spread. The constrained feedbacks result in ca. 19% lower land carbon
uptake, suggesting that the lower response to climate change is counteracted by
lower CO2 fertilization in the CMIP5 models.
In the second part of the thesis, the Regional Earth System Model (RESM)
COSMO-CLM2 is evaluated and used to investigate soil moisture-carbon cycle interactions at the European scale. COSMO-CLM2 couples the atmospheric
model COSMO-CLM to the Community Land Model (CLM4.0), including an
explicit representation of the interactions between the carbon and nitrogen cycles. The model is able to reproduce seasonal and year-to-year variations in
terrestrial carbon fluxes, as well as the positive trend in the carbon sink over
Europe (Chapter 4). Deficiencies are found in the magnitude of GPP and stock
size, possibly related to limitation of photosynthesis due to nutrient availability
and in particular to the lack of agricultural nitrogen fertilization in the model.
Encouragingly, the simulated carbon cycle is consistent with results from other
fully coupled and offline CLM4.0 configurations used in recent model intercomparison efforts.
COSMO-CLM2 is then used to address the role of soil moisture and its yearto-year variations on the contemporary terrestrial carbon budget and its components over Europe (Chapter 5). This is achieved by performing sensitivity
experiments over the period 1986-2010 were soil moisture is prescribed to either a mean, a very dry or a very wet seasonal cycle without consideration of
year-to-year variations. The interactions between soil moisture and terrestrial
biogeochemistry are found to have significant effects on the terrestrial carbon
fluxes. In ca. 70% of Europe a statistically significant effect of drying and/or
wetting on GPP and ecosystem respiration is detectable, resulting in the cumulative net biome productivity (NBP) varying from an uptake of 6 PgC in the
case of wet conditions to a strong source of up to 1.2 PgC in the case of dry conditions. The main processes controlling the simulated changes in NBP depend
on the region and on the soil water content in the different experiments. For
instance, wet conditions in central Europe cause increase in NBP mainly due to
lower ecosystem respiration which is limited by the lower temperature due to
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the wetting. In southern Europe, wet conditions cause increase in NBP due to
higher GPP which responds positively to the higher soil water content. Dry conditions cause decrease in NBP over the whole domain due to lower GPP, despite
parallel decrease in ecosystem respiration. Moreover, the results suggest that in
most of the European ecosystems the interannual variations in the various terrestrial carbon fluxes are largely driven (more than 50%) by variations in soil
moisture and by soil moisture-induced changes in the year-to-year variations in
temperature.
Reducing the uncertainties in terrestrial carbon cycle projections, and consequently in climate projections, has become a priority for the research community.
This thesis contributes to this objective by showing that short-term observationbased constraints of the water and carbon cycles can help reduce uncertainties in
long-term terrestrial carbon cycle projections. Finally, this work also highlights
the dominant role of soil moisture and its variations in determining spatiotemporal characteristics of the terrestrial carbon balance, which has important implications for future carbon projections in view of the expected increase in the
variability of future water resources.
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Z U S A M M E N FA S S U N G
Während der letzten zwei Jahrhunderte verursachte die rasante Zunahme der
anthropogenen Emissionen von CO2 , Treibhausgasen und Aerosolen den Klimawandel und setzte globale Störungen terrestrischer und aquatischer, biochemischer Kreisläufe in Gang. Gegenwärtig schwächt die terrestrische Biosphäre
den Klimawandel durch Absorption von etwa einem Drittel der anthropogenen
CO2 Emissionen ab. Jedoch wird erwartet, dass sich dieser inhärente Dienst
durch das Ökosystem im Zuge des Klimawandels abschwächt. In der Zukunft
könnte insbesondere die Verfügbarkeit von Wasser einer der wichtigsten einschränkenden Faktoren für die Produktivität des Ökosystems werden. Daher
ist es von grosser Bedeutung den Einfluss der Bodenfeuchte und ihrer Variationen auf den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf zu studieren. Erdsystemmodelle
(ESM) können helfen diese Wechselwirkungen abzuschätzen und die Reaktion
der terrestrischen Biosphäre auf zukünftige Änderungen des CO2 -Gehaltes in
der Atmosphäre und des Klimas zu simulieren. Eine grosse Anzahl aktueller
Studien, die verschiedene Modelle vergleichen, zeigt eine grosse Streuung zwischen den verschiedenen Modellen bezüglich gegenwärtig simulierter Bedingungen und insbesondere prognostizierter Änderungen des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs. Die Unsicherheiten in diesen Prognosen sind so gross, dass sogar
die Möglichkeit einer Umwandlung der terrestrischen Bioshäre in eine Kohlenstoffquelle nicht ausgeschlossen werden kann. Angesichts dieser grossen Unsicherheiten ist das Ziel dieser Dissertation erstens Modelle und Beobachtungen
zu vereinen um Prognosen und Rückkopplungsmechanismen des terrestrischen
Kohlenstoffkreislaufs besser einzuschränken und zweitens um unser Verständnis vom Haupteinfluss der Bodenfeuchte auf die Kohlenstoffkreislaufdynamik
voranzubringen.
Im ersten Teil der vorliegenden Dissertation (Kapitel 2 und 3) werden die
aus den modernsten ESMs des fünften Sachstandsberichts des Weltklimarates
(IPCC AR5) stammenden Prognosen zum zukünftige terrestrischen Kohlenstoffkreislauf mittels Beobachtungsprodukten eingeschränkt. Zuerst werden auftauchende Beziehungen zwischen gegenwärtiger Evapotranspiration (ET) und
Bruttoprimärproduktion (GPP) sowie den prognostizierten, langfristigen Änderungen des GPP in den CMIP5 Modellen hergeleitet. Zusammen mit der
Fähigkeit der Modelle gegenwärtige GPP und ET Bedingungen korrekt darzustellen, werden diese Beziehungen verwendet um plausible Aussagen zu zukünftiger GPP aufzustellen und um die Konsequenzen für die zukünftige Aufnahme durch das Land (Net Biom Produktivität, NBP) zu quantifizieren. Letzteres ist motiviert durch den starken Zusammenhang zwischen den Änderungen der NBP und Änderungen der GPP innerhalb der CMIP5 Modelle. Für etwa
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80% der globalen Landflächen führen die auf Beobachtungsdaten basierenden
Abschätzungen zu einer substantiellen Abnahme der projizierten GPP und zu
einer 50% kleineren Streuung zwischen den Modellen. Die Resultate für die
NBP deuten auf eine etwa 30% kleinere Streuung zwischen den Modellen hin,
was eine substantiellen Abnahme der Fähigkeit des Ökosystems Kohlenstoff
einzubinden zur Folge hat; in einigen der plausiblen Modellsimulationen werden diese sogar in eine Quelle für Nettokohlenstoff verwandelt.
Ein ähnliches Vorgehen wir dann angewandt um die Rückkopplungsmechanismen zwischen dem terrestrischen Kohlenstoffkreislauf und dem Klimasystem (Kapitel 3) einzuschränken; dies erlaubt die Herangehensweise unabhängig
vom Szenario zu verallgemeinern. Hierbei werden stark in Erscheinung tretende
Beziehungen zwischen globalen Klima-Land-Kohlenstoff-Rückkopplungen, den
jährlichen Variationen der gegenwärtigen GPP, ET und NBP und die Reaktion
von NBP auf gegenwärtige Niederschlagsvariationen identifiziert. Eine Auswahl
von ESMs anhand ihrer Fähigkeit gegenwärtige Variationen von ET, NBP und
die Reaktion der NBP auf Niederschlagsvariationen zu simulieren, führt zu
einer um 40% reduzierten Reaktion des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs
auf den Klimawandel, gefolgt von einer substantiellen Abnahme der Streuung
zwischen den Modellen (>50%). Die Konsequenzen der eingeschränkten KlimaKohlenstoff-Rückkopplung auf die Konzentration-Kohlenstoff-Rückkopplung
führt zu einer etwa 30 prozentigen Reduktion von dessen Stärke und zu einer
etwa 40% kleineren Streuung zwischen den Modellen. Die Resultate für die
NBP deuten auf eine etwa 19% kleinere Fähigkeit des Ökosystems Kohlenstoff
einzubinden.
Im zweiten Teil der Dissertation wird das regionale Erdsystemmodell (RESM)
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COSMO-CLM ausgewertet. Es wird verwendet um die Wechselwirkung zwischen Bodenfeuchte und dem Kohlenstoffkreislauf auf europäischer Skala zu
studieren. COSMO-CLM2 koppelt das Atmosphärenmodell COSMO-CLM an
das Community Landmodell (CLM4.0), welches die explizite Darstellung der
Wechslewirkungen zwischen dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Kreislauf beinhaltet. Das Modell ist in der Lage saisonale und jährliche Variationen der
terrestrischen Kohlenstoffflüsse sowie die positiven Trends in der Kohlenstoffsenke über Europa zu reproduzieren (Kapitel 4). Unzulänglichkeiten bezüglich
der Stärke der GPP und der Vorratsgrösse werden identifiziert. Diese sind
möglicherweise verbunden mit der Begrenzung der Photosynthese aufgrund
von Nährstoffverfügbarkeit und insbesondere dem Fehlen agrikultureller Stickstoffdüngung im Modell. Erfreulicherweise ist der simulierte Kohlestoffkreislauf konsistent mit anderen voll gekoppelten und offline-CLM4.0 Konfigurationen, welche in den neuesten Modellvergleichsstudien verwendet werden.
COSMO-CLM2 wird ausgewertet um den Einfluss der Bodenfeuchte und ihrer
jährlichen Variation auf das gegenwärtige Kohlenstoffbudget und dessen Komponenten über Europa zu untersuchen (Kapitel 5). Dies wird mittels Sensitiv-
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itätsexperimenten während dem Zeitraum 1986-2010 untersucht, wobei die Bodenfeuchte auf einen mittleren, einen sehr trockenen oder einen sehr feuchten
saisonalen Zyklus, ohne Einbezug der jährlichen Variationen, vorgeschrieben
wird. Die Wechselwirkung zwischen der Bodenfeuchte und der terrestrischen
Biogeochemie zeigen signifikante Auswirkungen auf die verschiedenen terrestrischen Kohlenstoffflüsse. Für ca. 70% der Landflächen in Europa ist ein
statistisch signifikanter Einfluss der Trocknung und/oder Befeuchtung auf die
GPP und die Ökosystem-Respiration nachweisbar, was wiederrum in einer kumulativen Netto Biom Produktivität (NBP) führt; diese variiert zwischen einer
Aufnahme von 6 PgC bei feuchten Bedingungen bis zu einer sehr starken Abgabe von bis zu 1.2 PgC bei trockenen Bedingungen. Die Hauptprozesse, welche
die Änderungen der NBP in den Bodenfeuchte-Sensivitätsexperimenten bestimmen, hängen von der Region und der Bodenfeuchte ab. Feuchte Konditionen
verursachten in Zentraleuropa höhere NBP aufrund der Reaktion von Respiration auf die durch Bodenfeuchte verursachten Temperaturänderungen. In
Südeuropa verursachten feuchte Konditionen höhere NBP aufrund der Reaktion von der GPP. Trockene Konditionen verursachten niedrigere NBP auf dem
ganzen Gebiet aufgrund der niedrigen GPP, trotz der parallelen Abhname
von Respiration. Zudem weisen die Resultate darauf hin, dass in den meisten europäischen Ökosystemen die zwischenjährlichen Variationen in den verschiedenen, terrestrischen Kohlenstoffflüssen vor allem (mehr als 50%) durch
Variationen in der Bodenfeuchte und in den aus Bodenfeuchte verursachten
Temperaturänderungen verursacht wird.
Eine Reduktion der Unsicherheiten bei Prognosen des terrestrischen Kohlenstoffreislaufs, und letzlich bei Prognosen des Klimas, hat sich zu einer Priorität der Forschungsgemeinde entwickelt. Diese Dissertation trägt zu diesem
Ziel bei, indem sie zeigt, dass kurzfristige, auf Beobachtungen basierende Vorgaben für den Wasser- und den Kohlenstoffkreislauf helfen können, die Unsicherheiten der Prognosen des langfristigen Kohlenstoffkreislaufs zu verkleinern. Schliesslich hebt diese Dissertation die dominante Rolle der Bodenfeuchte
und ihrer Variationen bei der Bestimmung von räumlich-zeitlichen Charakteristiken des terrestrischen Kohlenstoffgleichgewichtes hervor. Dies hat wichtige
Implikationen für zukünftige Kohlenstoffprognosen angesichts der erwarteten
Zunahme der Variabilität zukünftiger Wasserressourcen.
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