Chapter 7: Samenvatting 7 Samenvatting Dit laatste hoofdstuk vat de belangrijkste resultaten samen met betrekking tot het globaal en regionaal modelleren van emissie factoren. Verder belicht ik de implicaties van dit werk, bediscussieer de onderzoeksperspectieven, en tot slot doe ik aanbevelingen voor toekomstige studies. 97 Chapter 7: Samenvatting 7.1 Inleiding In deze thesis heb ik de rol van emissie factor (EF) variabiliteit bij emissies van vegetatiebranden bestudeerd. Een EF kan worden gedefiniëerd als de hoeveelheid sporengas of aërosol ‘X’ die vrijkomt per eenheid brandstof, en wordt meestal als g ‘X’ per kg brandstof weergegeven. Ondanks dat er veel veldmetingen van EFs beschikbaar zijn, is de waargenomen variabiliteit nooit systematisch onderzocht. Dit is echter noodzakelijk voor globale analyses van vegetatiebranden, omdat de onzekerheden in EFs direct van invloed zijn op de onzekerheden in de emissie schattingen. Ik heb een uitgebreid literatuuronderzoek verricht om alle beschikbare EF metingen op een rij te zetten, en vervolgens satellietgegevens van diverse vegetatie karakteristieken en klimatologische omstandigheden gebruikt om een beter inzicht te krijgen in de ruimtelijke en temporele variabiliteit van EFs op een globale schaal. Voor deze analyse met satellietdata heb ik de wereld onderverdeeld in cellen van ongeveer 100 bij 100 kilometer (0.5° ! 0.5°). Variabelen die correleerden met een deel van de EF variabiliteit zijn de mate van bosbedekking, de groenheid van de vegetatie, temperatuur, neerslag, en de lengte van het droge seizoen. Op basis van de bevindingen werden 6 nieuwe EF scenario's ontwikkeld voor koolstofmonoxide (CO) met een verschillende ruimtelijke en temporele variabiliteit, en vervolgens werden deze scenario’s in het Global Fire Emissions Database (GFED) model geïmplementeerd. Om de impact van deze nieuwe emissievelden op de atmosfeer te bepalen, gebruikte ik het TM5 atmosferisch transport model. Validatie pogingen werden vervolgens uitgevoerd met behulp van CO grondmetingen van National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) en CO satelliet observaties van het Measurement Of Pollution in The Troposphere (MOPITT) instrument. Naast dit globale model heb ik ook een regionaal emissie model ontwikkeld voor vegetatiebranden in de Braziliaanse provincie Mato Grosso. In de afgelopen decennia hebben in deze provincie veel ontbossingsactiviteiten plaatsgevonden, die vaak gepaard gaan met grootschalige branden. Een belangrijke dataset die in deze regionale studie gebruikt is zijn satelliet observaties van de temperatuur van het aardoppervlak (land surface temperature [LST]). Op basis van deze LST data heb ik een nieuwe methode ontwikkeld om veranderingen in tropische bosbedekking te detecteren, en deze methode heb ik vervolgens toegepast om de hoeveelheid biomassa te kwantificeren die verloren is gegaan tijdens ontbossingsbranden in de jaren 2001-2007. Seizoensgebonden variaties in EFs werden toegevoegd door gebruik te maken van het meest veelbelovende EF scenario dat eerder voor de globale analyses was ontwikkeld, en gebaseerd is op de modified combustion efficiency (MCE). De variabiliteit in MCE werd geschaald met behulp van een droogte-index, en relaties tussen de MCE en EFs gevonden in de literatuur werden gebruikt om de bevindingen te vertalen naar EFs voor CO, stikstofoxiden (NOx) en methaan (CH4). In de volgende hoofdstukken zal dit werk in meer detail worden samengevat. 7.2 Globale analyse van factoren die variatie in EFs veroorzaken Emissie factoren van vegetatiebranden vertonen een grote variatie in tijd en ruimte. In deze thesis heb ik onderzocht welk deel van deze variabiliteit verklaard kan worden aan de hand van globale datasets van o.a. de mate van bosbedekking, neerslag en temperatuur. Hoewel er redelijke correlaties werden gevonden voor specifieke studies en gebieden, waren de correlaties op basis van alle beschikbare EF metingen lager en verklaarden ongeveer 33%, 38%, 19%, en 34% van de variabiliteit voor respectievelijk CO, CH4, koolstofdioxide (CO2), en de MCE. Meerdere factoren kunnen verantwoordelijk zijn voor een deel van de resterende variabiliteit, waaronder de 98 Chapter 7: Samenvatting onzekerheden in de verklarende variabelen die we hebben gebruikt op een 0.5° ! 0.5° resolutie, de variatie van het koolstofgehalte in de brandstof, verschillen in meettechnieken, aannames met betrekking tot de verhoudingen van brandende en smeulende delen van de brandstof, en onvoldoende informatie over de meetlocaties. Daarnaast hebben we variabelen die mogelijk ook van invloed zijn op de EF variabiliteit, zoals de topografie en windsnelheid, in onze analyse genegeerd. Nieuwe gemiddelde EFs voor het savanne en grasland, tropisch bos, en extratropisch bos bioom werden op twee verschillende manieren berekend. Ten eerste, wogen we elke EF meetlocatie met zijn relatieve belang in een brand-klimaat venster, dat bepaald werd door de hoeveelheid biomassa verbrand binnen zogenaamde klimaat vensters op basis van de mate van bosbedekking, gemiddelde jaarlijkse temperatuur en de gemiddelde jaarlijkse neerslag. EF metingen in Californische chaparral branden droegen bijvoorbeeld niet veel bij aan de bioom gemiddelde EF voor extratropisch bos, aangezien op een globale schaal de emissies uit deze regio -met een lage gemiddelde jaarlijkse neerslag en mate van bosbedekking- nagenoeg verwaarloosbaar zijn. De tweede benadering is gebaseerd op het maken van nieuwe globale MCE kaarten met behulp van gevonden relaties tussen omgevingsfactoren en de MCE. Een gemiddelde MCE voor het bioom werd berekend door de MCE van elk bioom te wegen over de hoeveelheid biomassa die verbrand is, en vervolgens werd een bioom-gemiddelde EF berekend met behulp van de relatie tussen MCE en EF zoals gevonden door Andreae en Merlet [2001]. Op basis van de eerste aanpak, en gebruikmakend van het klimatologische venster met de hoogste voorspellende waarde, vielen de bioom-gewogen EFs lager uit dan het rekenkundig gemiddelde van Andreae en Merlet [2001], en het grootste verschil werd gevonden voor CH4 in savannes (8.7%). Voor CO waren de gewogen EFs ook lager dan het rekenkundig gemiddelde van Andreae en Merlet [2001] voor savanne en tropisch bos (1.7% en 7.9%), maar hoger voor extratropisch bos (3.8%). Echter, rekening houdend met de reeds eerder genoemde onzekerheden, zijn deze gevonden verschillen waarschijnlijk te verwaarlozen. Een tweede manier van wegen op basis van verschillende omgevingsfactoren gaf aan dat de MCE voor savanne en grasland lager was dan het rekenkundig gemiddelde van alle EF metingen. Dit zou voor hogere emissies van CO (13%), CH4 (22%) en andere gereduceerde gassen zorgen in dit bioom, en kunnen mogelijk wijzen op een ondervertegenwoordiging van EF metingen in bosrijke savannas. 7.3 EF modelleren op een globale schaal Tot op heden hebben de meeste globale analyses van emissies van vegetatiebranden gebruik gemaakt van EF scenario's gebaseerd op het werk van Andreae en Merlet [2001] of Akagi et al. [2011], met statische EFs voor de verschillende biomen. Op basis van de in hoofdstuk 6.2 beschreven bevindingen en de brandstof schattingen van GFED heb ik een nieuwe set sporengas emissies ontwikkeld. Verschillende niveaus van complexiteit werden ingebouwd in de EF scenario's, van de ruimtelijke en temporele variabiliteit in omgevingsfactoren tot meer complexe scenario's waarin verschillende soorten brandstof in GFED een specifieke MCE kregen toegewezen die ook varieerde in ruimte en tijd. De meeste EF scenario’s wezen op een verhoging van CO emissie schattingen in boreale regio's ten opzichte van het GFED standaard scenario, met verschillen tot 50% gevonden voor de totale CO uitstoot in de periode 2002-2007. Voor het continent Afrika werden lagere waarden geschat, met gemiddeld een totale jaarlijkse daling van ~3.5%. Na het transport van de nieuwe emissievelden in de atmosfeer met het TM5 model, veranderden ook de atmosferische mengverhoudingen van CO afhankelijk van het model. Een spreiding van 30 ppb CO werd gevonden voor de verschillende EF 99 Chapter 7: Samenvatting scenario’s boven boreaal Noord-Amerika tijdens het brandseizoen, en voor zowel Afrika als Zuid-Amerika varieerde de waarden met 15 ppb afhankelijk van het EF-scenario. De EF scenario's waarin temporele variaties zijn opgenomen werden fysisch aannemelijker gezien dan statische EF scenario's, mede door de aanzienlijke seizoensgebondenheid van verschillende omgevingsfactoren gevonden in belangrijke vegetatiebrand gebieden. Helaas hebben oppervlaktewaarnemingen van CO in de troposfeer en recente ‘inverse modeling’ studies geen uitsluitsel kunnen geven over welk EF scenario beter is ten opzichte van de andere, en een " beste" EF scenario kon dus niet worden geselecteerd. MOPITT satelliet observaties van CO concentraties gaven aan dat de keuze van EF scenario regio-specifiek zou kunnen zijn: in de boreale gebieden presteerde de brandstof specifieke aanpak beter, terwijl het includeren van EF seizoensgebondenheid door omgevingsfactoren een belangrijkere rol speelde in de ZuidAmerika en Indonesië. Het MCE scenario met een temporele variabiliteit werd beschouwd als het meest veelbelovende EF scenario. MCE waarden toewijzen aan specifieke soorten brandstof zorgt voor een betere vastlegging van variabiliteit binnen biomen. Het specifiek toewijzen van een fractie van de emissies aan bijvoorbeeld de bodem kan belangrijk zijn voor boreale gebieden, omdat er met de rol van organische consumptie thans rekening wordt gehouden. Binnen het savanne en grasland bioom kan de bijdrage van houtachtig puin belangrijk zijn bij het scheiden van grasland en beboste vegetatie. Samengevat heb ik een nieuwe set van globale emissie schattingen ontwikkeld die gebruikt kan worden in gevoeligheidsanalyses. Deze studie benadrukte het belang van een beter begrip van de ruimtelijke en temporele variabiliteit in EFs voor atmosferische studies in het algemeen, en in het bijzonder bij het gebruik van CO of aërosolen om koolstofuitstoot van vegetatiebranden te schatten. 7.4 EF modelleren op een regionale schaal: Ontbossingsbranden in Brazilië In het globale model werd de heterogeniteit van het landschap en het klimaat binnen de 0.5° ! 0.5° cellen genegeerd. Deze heterogeniteit kan echter groot zijn, met name in ontbossingsgebieden waar verschillende typen branden met soms ordes van grootte verschil in biomassa voorkomen. Vandaar dat we hogere ruimtelijke (1km) en temporele (16 dagen) resolutie data gebruikten om een regionaal emissie model te ontwikkelen en zo de impact van EF variabiliteit op ontbossingsbranden in de Braziliaanse staat Mato Grosso te onderzoeken. Om de volledigheid van de verbranding (combustion completeness [CC]) te kwantificeren en de emissies over de jaren 2001-2007 te verdelen, werden satelliet observaties van de temperatuur van het aardoppervlak (LST) gebruikt. LST-data bleken een nuttige bron van informatie om bos van niet-bos gebieden te onderscheiden, en tevens voor het kwantificeren van ontbossing met een jaarlijkse tijdstap. Ik vond dat deze methode de grootste voorspellende waarde heeft wanneer de focus ligt op het einde van het droge seizoen (~1-2 maanden na de minimale maandelijkse neerslag). Tijdens dit deel van het jaar valt er over het algemeen weinig neerslag en is de oppervlakte vochtigheid op een minimum. Naast het belang om LST data te gebruiken tijdens de maanden met de hoogste beschrijvende kracht, vond ik dat het verschil tussen dag en nacht LST een verbetering geeft in classificatie modellen om bos en niet-bosgebieden te onderscheiden ten opzichte van modellen die alleen gebruik maken van dag LST. Al deze informatie werd gebruikt om een algoritme te ontwikkelen dat geschikt is om pan-tropische ontbossing te klassificeren. Met behulp van deze LST methode om emissies te bepalen, en schattingen van de grootte van de branden, kan de totale hoeveelheid biomassa worden geschat die verloren 100 Chapter 7: Samenvatting gaat tijdens de ontbossingsbranden. EF variabiliteit werd gemodelleerd met behulp van de MCE, geschaald met een droogte-index. Volgens ons model, dat gebaseerd is op data uit het veld en de ruimte, zorgde variabiliteit in EFs voor grote verschillen ten opzichte van het gebruik van statische EF, en CO, NOx en CH4-emissie schattingen veranderden met respectievelijk 21, 16, en 44% voor de jaren 2001-2007. Voor NOx werden zelfs verschillen tot 81% in het begin van het droge seizoen (april-juni) gevonden. In regio's waar veel biomassa werd verloren vonden aanzienlijk meer branden plaats in het vroege droge seizoen (april-juni). In dit deel van het jaar zorgen vochtige omstandigheden voor een verlaging van de MCE, en daarom werden deze regio's meer beïnvloed door EF variaties ten opzichte van gebieden met een geringer verlies aan biomassa, waar weinig branden plaatsvonden in het begin van het droge seizoen. De totale CO emissies op basis van statische en variabele EFs zijn respectievelijk 1389 en 1720 Gg per jaar, een verschil van 24%. Voor regio's met een geringer verlies aan biomassa was dit verschil 17%. Verder is in dit werk gebleken dat het belang van EF seizoensinvloeden afhankelijk is van sporengas of aërosol type, en ook van het soort landgebruik. Een implicatie van ons werk is dat wanneer grondeigenaren aangemoedigt worden om niet te verbranden in het vroege droge seizoen, de lokale luchtkwaliteit mogelijk verbetert en er minder CH4 vrijkomt bij ontbossingsbranden. 7.5 Onderzoeksperspectieven en aanbevelingen 7.5.1 EF data beschikbaarheid Meer dan 100 EF metingen zijn uitgevoerd in verschillende biomen waar regelmatig vegetatiebranden voorkomen, en bioom-gemiddelde EFs gebaseerd op het werk van Andreae en Merlet [2001] en Akagi et al. [2011] worden veelal gebruikt in verschillende modelleringsgemeenschappen. De database van Andreae en Merlet [2001], die jaarlijks geupdate wordt door M.O. Andreae [2011, persoonlijke communicatie], verschaft bioom-gemiddelde EFs voor o.a. savannes en graslanden, tropische bossen, en extratropical bossen. Het gemiddelde wordt genomen over alle beschikbare EF metingen voor deze specifieke biomen, maar mede door het gebruik van verschillende meettechnieken en wisselende aannames met betrekking tot de verhouding van brandende en smeulende delen van de brand, zijn niet alle metingen goed met elkaar te vergelijken. Akagi et al. [2011] gebruikte een meer uniforme aanpak en focuste alleen op EF metingen van 'verse' rookpluimen. Deze pluimen zijn afgekoeld tot kamertemperatuur, maar hebben nog geen fotochemische processen ondergaan. Op deze manier zijn chemische verstoringen verwaarloosbaar, en zorgen ze mogelijk voor een betere vertegenwoordiging van de ware regionale initiële emissies van een brand. Deze aanpak heeft mogelijk een grote impact op gemeten EFs voor met name reactieve en vluchtige gassen. Verder is in de database van Akagi et al. [2011] het aantal specifieke biomen uitgebreid. De categorie 'extratropisch bos', zoals gebruikt door Andreae en Merlet [2001], werd verdeeld in ‘boreaal bos’ en ‘gematigd bos’, en een specifieke EF voor chapparal branden is ook inbegrepen. Deze uitbreiding kan recht doen aan de verschillen tussen de branden in deze biomen. Echter, ook deze aanpak heeft nog steeds te maken met tekortkomingen door het gebruik van verschillende meettechnieken en inconsistente aannames met betrekking tot de brand-smeul verhouding. 7.5.2 Toekomstige EF meetcampagnes Ik heb verschillende ‘hiaten’ geidentificeerd in de beschikbaarheid van EF data die, wanneer aangepakt, tot een verbetering van ons begrip kunnen leiden betreffende de ruimtelijke en temporele EF variabiliteit. 101 Chapter 7: Samenvatting Ten eerste worden er een aantal belangrijke emissie gebieden onderbemonsterd, waaronder Centraal-Afrika, boreaal Azië en Indonesië. Elk van deze gebieden heeft waarschijnlijk een relatief hoge uitstoot van gereduceerde gassen: zo zijn er meer bosbranden in Centraal-Afrika in vergelijking met zuidelijk Afrika waar de meeste savanne metingen zijn verricht, en meer grondbranden in boreaal Azië ten opzichte van boreaal Noord-Amerika waar de meeste extratropische EFs werden gemeten. In Indonesia vinden onder vochtigere omstandigheden meer veenbranden plaats dan in Zuid-Amerika, waar de meeste EFs voor ontbossingsbranden gemeten worden. Alleen nieuwe metingen kunnen de hypothese bevestigen dat in de huidige beschikbare literatuur er slechts een kleine onzekerheid wordt gevonden voor de EFs van gereduceerde gassen. Ten tweede is er behoefte aan metingen over het volledige brandseizoen om zo een beter inzicht in de temporele variatie van EFs te krijgen. Voortbouwend op het werk van Korontzi et al. [2003] en Meyer et al. [2012] is de bemonstering van de maanden voor en na de lokale piek-brand maand nodig om de EF seizoensgebondenheid te begrijpen. Ten derde kan het meten en beschrijven van de brandstof samenstelling, het vochtgehalte, en omgevingsfactoren zoals windsnelheid en temperatuur zorgen voor een beter begrip van de factoren die EFs beïnvloeden, vooral wanneer meerdere locaties worden bezocht met hetzelfde meetprotocol. Dit vereist een meer multidisciplinaire aanpak en pleit voor het combineren van campagnes gericht op het kwantificeren van de biomassa, de CC, EFs, en satelliet validaties van bijvoorbeeld brand-hotspot detectie en de nauwkeurigheid van het verbrande gebied. Naar aanleiding van het werk van Chen et al. [2010a] kan een goede start gemaakt worden (zeker vanuit logistiek oogpunt) met verschillende laboratorium-experimenten, om zo de rol van verschillende factoren zoals bodemvochtigheid, temperatuur, stikstofgehalte en brandstof stapeling te bepalen op EFs van verschillende soorten vegetatie. Tenslotte werd het gebruik van de MCE gepromoot in dit proefschrift. De MCE, gedefinieert als de hoeveelheid koolstof vrijgekomen als CO2 gedeeld door de hoeveelheid koolstof vrijgekomen als CO2 en CO, is vaak goed gerelateerd met de EFs van andere sporengassen en aërosolen. Een beter begrip van deze relaties en de factoren die de variabiliteit in MCE beïnvloeden kan een belangrijk aandachtspunt van de toekomstige meetcampagnes zijn, aangezien de bevindingen direct kunnen worden vertaald naar emissie schattingen voor verschillende interessante gassen. 7.5.3 Satelliet observaties van sporengassen en aërosolen In dit proefschrift heb ik gebruikt gemaakt van EF metingen verricht vanaf de grond of vanuit een vliegtuig. Ondanks het feit dat deze metingen een uitgebreide set aan EF data hebben opgeleverd, is de ruimtelijke en temporele representativiteit verre van perfect. Satellietwaarnemingen kunnen sommige van deze ‘gaten’ opvullen gezien hun globale dekking en relatief hoge tijdsresolutie. Mits de fouten ten gevolge van het transport en chemie alswel de onzekerheden in de satelliet observaties van sporengassen en aërosolen in acht genomen worden, kan een combinatie van bottom-up (zoals de GFED emissies) en top-down methoden mogelijk voor een verbeterde kwantificering van de EFs van vegetatiebranden zorgen. Bij het combineren van observaties van meerdere gassen kan bovendien de ruimtelijke en temporele EF variabiliteit beter onderzocht worden. Tijdens het werk aan dit proefschrift zijn er nieuwe studies verschenen die deze manier van aanpak gebruikten. Mebust et al. [2011] en Mebust en Cohen [2013] bijvoorbeeld, hebben troposferische kolom waarnemingen van NO2 met satelliet observaties van het stralingsvermogen van branden (FRP [Wooster et al., 2003]) gecombineerd om NOx emissiecoëfficiënten en hun temporele variabiliteit te berekenen voor savannabranden in Afrika en de Noord-Amerika. Castellanos et al. [2013] gebruikte NO2 gegevens van Ozone 102 Chapter 7: Samenvatting Monitoring Instrument (OMI) en CO observaties van het MOPITT instrument om NOx EFs te schatten voor vegetatiebranden in Zuid-Amerika in 2005, en Ross et al. [2013] bepaalde de eerste CH4 en CO2 emissie verhoudingen in een rookpluim vanuit de ruimte met behulp van korte golflengte infrarood spectra van de Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT). Deze studies wijzen op de mogelijkheden om sporengassen vanuit de ruimte te meten en de potentie om zo de emissies van vegetatiebranden beter te karakteriseren. In de afgelopen twee decennia is er grote vooruitgang geboekt bij de detectie van sporengassen vanuit de ruimte, en momenteel kunnen instrumenten reeds schattingen van CO2, CO, CH4, NO2, NH3, SO2, HCOH, NMVOC en fijnstof concentraties [Palmer et al., 2008; Straten et al., 2013] maken. De grondmetingen geven een veel langere lijst met gevonden gassen en kunnen niet volledig worden vervangen door satelliet observaties, maar een beter gebruik van satelliet waarnemingen van sporengassen in combinatie met gedetailleerde simulatie van de rookpluimstijging en dispersie, en de beschikbaarheid van hogere ruimtelijke en temporele resolutie satelliet datasets zijn de sleutel om ons begrip van EF dynamiek te verbeteren. 7.5.4 Het schatten van emissies van vegetatiebranden in het algemeen Dit proefschrift ging over het modelleren van EFs, deels om de GFED schattingen van sporengas emissies te verbeteren. Echter, een 'perfecte' representatie van de ruimtelijke en temporele EF variabiliteit hangt af van de berekening van GFED koolstof emissies. Het modelleren van emissies van vegetatiebranden omvat vele stappen, elk voorzien van onzekerheden die niet altijd gemakkelijk te kwantificeren zijn. In het algemeen worden de onzekerheden in globale koolstof emissies van vegetatiebranden geschat op ongeveer 20% op jaarbasis schaal [van der Werf et al., 2010], maar deze zijn groter voor kleinere regio's of kortere tijdvensters. Om onzekerheden te verkleinen zijn hoge kwaliteit datasets van de grootte van de branden cruciaal. Informatie over het stralingsvermogen van een brand (fire radiative power [FRP]), wat gelijk is aan de snelheid van de elektromagnetische energie die vrijkomt bij een brand, kan worden gebruikt als een alternatieve benadering. In de afgelopen jaren zijn emissie schattingen met behulp van FRP verbeterd, en zeer recentelijk hebben het samenvoegen van informatie over de grootte van een brand en de FRP [Roberts et al., 2009; Roy en Boschetti, 2009, Randerson et al., 2012] met succes onzekerheden verlaagd in datasets van de grootte van een brand. Om de biogeochemische modellen te verbeteren en de verschillende soorten brandstof beter te vertegenwoordigen is de beschikbaarheid van hoge-resolutie input datasets noodzakelijk. Een parameter die speciale aandacht verdient in toekomstige studies is de CC, mede omdat de temporele variabiliteit mogelijk een deel van de effecten gevonden voor EF variaties van bepaalde sporengassen kan tegenwerken. Naast het verbeteren van de ruimtelijke resolutie en de kwaliteit van de input dataset, is er duidelijk behoefte aan een meer multidisciplinaire aanpak. De opzet van biomassa verbrandingsexperimenten waarbij een aantal belangrijke parameters, zoals EFs en de grootte van een brand, gelijktijdig worden gemeten vanaf de grond, lucht en ruimte, zal de modelleringsgemeenschap helpen in hun queeste naar een beter begrip en een nauwkeurige kwantificering van emissies van vegetatiebranden. 103 Chapter 7: Samenvatting 104
© Copyright 2024 ExpyDoc